RU2061847C1

RU2061847C1 - Pulsed hydraulic borehole perforator

Info

Publication number: RU2061847C1
Application number: RU93050690A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Петров
Original assignee: Николай Александрович Петров
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1996-06-10

Abstract

FIELD: oil production. SUBSTANCE: borehole perforator included several units and sections. Lower section is made in the form of hydraulic fixer-centering guide with rods extended under higher pressure. Radial passages with pressure pulse generator units inside are made in the middle and upper sections. The generator is made in the form of shaft and turbine. Turbines are coupled to upper part of the shaft. Flat cams are secured to shaft ends. The cams come in contact with discs. The discs are used as members of closing-opening of eccentric openings. Extensions are placed in lateral openings of the discs. Inlet lengthwise passages of cases in the middle and upper sections entering radial passages are tangentially directed to the turbines. Outlet axial passages are hydraulically open between cavities of radial passages and cavity of lower section. EFFECT: high reliability. 4 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для вторичного вскрытия продуктивных пластов нефтяных, газовых и водозаборных скважин. The invention relates to the mining industry, in particular to devices for the secondary opening of productive formations of oil, gas and water wells.

Известен гидравлический перфоратор, включающий секционный корпус с продольными каналами, из которых средняя и верхняя секции снабжены соплами, размещенными в боковых отверстиях, нижний узел гидравлического маслонаполненного фиксатора-центратора с выдвижными подпружиненными штоками из цилиндрических полостей и эластичным стаканом, переходный переводник. A hydraulic perforator is known, including a sectional housing with longitudinal channels, of which the middle and upper sections are equipped with nozzles located in the side openings, the lower node of the hydraulic oil-filled clamp-centralizer with retractable spring-loaded rods from cylindrical cavities and an elastic glass, a transition sub.

Недостатком этого устройства является то, что увеличение дальности и ускорение образования перфорационных каналов осуществляется только за счет обеспечения точечной гидроперфорации с удлиненными соплами. Это, конечно, позволяет повысить эффективность перфорации, в том числе использовать менее абразивные, чем песчано-жидкостные технологические жидкости. Однако непрерывные струи, истекающие из сопл, даже при высоких скоростях, в результате потерь кинетической энергии на расстоянии и сопротивлений возвратных потоков в перфорационных каналах,имеют ограниченные разрушающие возможности. The disadvantage of this device is that the increase in range and acceleration of the formation of perforation channels is carried out only by providing point hydroperforation with elongated nozzles. This, of course, allows to increase the efficiency of perforation, including the use of less abrasive than sand-liquid process fluids. However, continuous jets flowing out of nozzles, even at high speeds, as a result of losses of kinetic energy at a distance and resistance of return flows in perforation channels, have limited destructive capabilities.

Наиболее близким является импульсный гидравлический перфоратор, включающий корпус с продольным каналом, сопла и узел генератора импульсов давления в виде вала, размещенного в корпусе на подшипниках, турбинки, связанной с валом, и элемента открытия-закрытия боковых отверстий, связанного с валом. The closest is a hydraulic pulse drill, including a housing with a longitudinal channel, nozzles and a pressure pulse generator assembly in the form of a shaft placed in bearings on the housing, a turbine connected to the shaft, and an opening-closing element for the side openings associated with the shaft.

Это устройство формирует прерывистые струи, что позволяет увеличить давление на разрушаемую горную породу по модели гидроудара, тем самым увеличивается глубина перфорационных каналов. This device generates intermittent jets, which allows increasing pressure on the rock being destroyed according to the model of water hammer, thereby increasing the depth of the perforation channels.

А недостатком этого перфоратора является то, что выпуск прерывистой струи происходит только при совмещении отверстий в элементе открытия-закрытия с боковыми отверстиями, то есть очень малый сектор по отношению к полному обороту вращения ротора. При разрушении же горной породы немаловажное значение имеет и время воздействия струи на поверхность. К тому же элемент открытия-закрытия боковых отверстий выполнен громоздким и имеет сложную объемную форму. Поэтому привод генератора импульсов давления имеет также громоздкую конструкцию с множеством турбинок. A drawback of this punch is that the discontinuous jet is released only when the holes in the opening-closing element are aligned with the side holes, that is, a very small sector with respect to the full revolution of the rotor. When the rock is destroyed, the time of the impact of the jet on the surface is of no small importance. In addition, the opening-closing element of the side holes is bulky and has a complex three-dimensional shape. Therefore, the drive of the pressure pulse generator also has a bulky design with many turbines.

Кроме того, генерируемые импульсы давления приводят к попеременному удлинению и сокращению насосно-компрессорных труб /НКТ/ и вместе с постоянно меняющимся направлением реактивных сил коротких струй вызывают усиленную продольно-поперечную вибрацию перфоратора, а значит к излишнему увеличению площади перфорационного канала в ущерб его протяженности. In addition, the generated pressure pulses lead to alternating elongation and contraction of the tubing / tubing / and, together with the constantly changing direction of the reactive forces of the short jets, cause enhanced longitudinal-transverse vibration of the perforator, which means an excessive increase in the area of the perforation channel to the detriment of its length.

Сущность изобретения заключается в том, что импульсный гидравлический перфоратор снабжен узлом фиксатора-центратора корпуса с выдвижными штоками, а корпус выполнен с радиальными каналами, гидравлически связанными с осевым каналом и перекрытыми дисками с эксцентричными боковыми отверстиями, в которых размещены насадки, при этом узел генератора импульсов давления размещен в радиальных каналах, вход в которые из продольного канала выполнен с тангенциальным направлением на турбинку, а элемент открытия-закрытия боковых отверстий выполнен в виде кулачков. The essence of the invention lies in the fact that the pulsed hydraulic rotary hammer is equipped with a centralizer-lock assembly of the housing with retractable rods, and the housing is made with radial channels hydraulically connected to the axial channel and overlapped disks with eccentric side holes in which the nozzles are placed, while the pulse generator assembly pressure is placed in radial channels, the entrance to which from the longitudinal channel is made with a tangential direction to the turbine, and the opening-closing element of the side holes is made n in the form of cams.

Технический результат выражается в упрощении конструкции привода и генератора импульсов давления, а также повышении эффективности гидроперфорации за счет увеличения времени воздействия зафиксированных прерывистых струй на разрушаемую поверхность. The technical result is expressed in simplifying the design of the actuator and pressure pulse generator, as well as increasing the efficiency of hydroperforation by increasing the exposure time of the fixed intermittent jets on the destructible surface.

На фиг. 1 изображен общий вид импульсного гидравлического перфоратора; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1 на фиг. 3 увеличенное сечение Б-Б на фиг. 1 с кулачком в момент закрытия эксцентричного бокового отверстия на фиг. 4 увеличенное сечение В-В на фиг. 1. In FIG. 1 shows a general view of a pulsed hydraulic rotary hammer; in FIG. 2 shows a section AA in FIG. 1 in FIG. 3 is an enlarged section bB in FIG. 1 with a cam at the moment of closing the eccentric side hole in FIG. 4 is an enlarged section bb of FIG. 1.

Импульсный гидравлический перфоратор состоит из корпусов трех секций нижней 1, средней 2, верхней 3 и переходного переводника 4, соединенных между собой резьбами 5 и уплотненных резиновыми кольцами 6. Нижняя секция 1 выполнена в виде узла фиксатора-центратора с осевым каналом 7 и горизонтальных цилиндрических полостей 8 в корпусе в них помещены подпружиненные пружинами 9 выдвижные штоки 10 и крышки 11 с уплотнительными кольцами 12. Узел фиксатора-центратора, в частности осевой канал 7 сверху перекрыт эластичным стаканом 13, а снизу болтом 14, при этом гидравлически связанные цилиндрические полости 8 и осевой канал 7 заполнены маслом 15. К корпусу 1 внизу дополнительно крепится пробка 16. Средняя 2 и верхняя 3 секции выполнены одинаково с радиальными каналами 17, в которых размещены узлы генераторов импульсов давления в виде вала 18, вращающегося на радиальноупорных подшипниках 19, и связанных с ним турбинок 20. При этом в корпусах 2 и 3 выполнены входные 21 продольные каналы в радиальные каналы 17 с тангенциальным направлением на турбинки 20, причем на одну турбинку 20 для повышения вращающегося момента может быть направлено несколько тангенциальных каналов 21 /фиг.2/, и выходные осевые каналы 22. На валу 18 с двух сторон крепятся, например шлицевым соединением, кулачки 23 элемент открытия-закрытия, а радиальные каналы 17 перекрыты дисками 24 с возможностью их контакта с плоскими кулачками 23. Диски 24 снабжены резиновыми уплотнениями 25 и выполнены с эксцентричными боковыми отверстиями 26 в приливах 27. В боковых отверстиях 26 размещены насадки из насадкодержателей 28 с твердосплавным соплом 29 и пружинным разъемным кольцом 30. Для ориентирования расположения насадок 28,29,30 в продольной и поперечной плоскостях диски 24 выполнены, например, с шлицевыми выступами 31, а в радиальных каналах 17 под них - соответствующие пазы 32. Кроме того, на концах радиальных каналов 17 выполнены резьбы 33 для ввертышей 34, которыми регулируют зазоры между продолговатыми кулачками 23 и дисками 24. Pulse hydraulic punch consists of three sections of the lower 1, middle 2, upper 3 and transition sub 4, interconnected by threads 5 and sealed with rubber rings 6. The lower section 1 is made in the form of a clamp-centralizer assembly with an axial channel 7 and horizontal cylindrical cavities 8, in the case, the sliding rods 10 and covers 11 with spring rings 12, spring-loaded by springs 9, are placed in them. The clamp-centralizer assembly, in particular the axial channel 7 is blocked from above by an elastic cup 13, and from below by a bolt 14, at m, the hydraulically connected cylindrical cavities 8 and the axial channel 7 are filled with oil 15. A plug 16 is additionally attached to the housing 1 at the bottom. The middle 2 and upper 3 sections are made identically with the radial channels 17, in which the nodes of the pressure pulse generators are located in the form of a shaft 18 rotating on angular contact bearings 19, and associated turbines 20. Moreover, in the bodies 2 and 3, input 21 longitudinal channels are made into radial channels 17 with a tangential direction to the turbines 20, and one turbine 20 to increase the rotating Several tangential channels 21 / Fig. 2/ can be directed, and axial output channels 22. On the shaft 18, for example, with splined connection, the cams 23 are open-close elements, and the radial channels 17 are closed by disks 24 with the possibility of contact with flat cams 23. The disks 24 are equipped with rubber seals 25 and are made with eccentric side holes 26 in the tides 27. In the side holes 26 are nozzles of nozzle holders 28 with carbide nozzle 29 and a spring split ring 30. For orientation the location of the nozzles 28,29,30 in the longitudinal and transverse planes, the disks 24 are made, for example, with spline protrusions 31, and in the radial channels 17 below them are corresponding grooves 32. In addition, threads 33 for screw heads 34 are made at the ends of the radial channels 17, which regulate the gaps between the elongated cams 23 and the discs 24.

Импульсный гидравлический перфоратор работает следующим образом. Pulse hydraulic punch works as follows.

К переводнику 4 перфоратора подсоединяют НКТ, на которых его спускают в интервал перфорации скважины, обвязывают устье насосными агрегатами и начинают промывку технологической жидкости, которая по входным продольным каналам 21 направляется на турбинки 20 по касательной, приводя в движение вал 18 с продолговатыми кулачками 23. Последние попеременно то открывают, то закрывают эксцентричные боковые отверстия 26 дисков 24, куда устремляется технологическая жидкость, другая ее часть через выходные осевые каналы 22 направляется к другой нижестоящей секции. Одновременно, когда технологическая жидкость по системе продольных 21, осевых 22 и радиальных 17 каналов попадает в полость над эластичным стаканом 13, с повышением давления эластичный стакан 13 сжимается и выдавливает масло 15 внутрь цилиндрических полостей 8, при этом штоки 10 сжимают пружины 9 и выдвигаются до стенок обсадной колонны и, плотно прижимаясь к ним, осуществляют центровку в поперечном и фиксацию в продольном направлениях корпуса /1,2,3,4/ перфоратора относительно перфорируемой обсадной колонны. В результате этого прерывистые струи, истекающие из сопл 29, ударяют в одну и ту же точку. При взаимодействии короткой струи с разрушаемой поверхностью /обсадной колонной, цементным камнем и горной породой/ развивается высокое давление, с некоторым приближением, равное давлению гидравлического удара, определяемое по формуле Н.Е.Жуковского. Короткая струя практически без потерь кинетической энергии достигает разрушаемой поверхности. Поскольку продолжительность этого высокого давления весьма незначительна, то в случае превышения длительности прерывистой струи этого периода, что регулируется в устройстве размерами и формой кулачков 23, степенью эксцентричности боковых отверстий 26 в дисках 24, размерами и количеством входных продольных каналов 21, влияющих на частоту вращения вала 18, успевает возникнуть радиальное течение жидкости, параллельное разрушаемой поверхности с эрозионным воздействием, и давление в точке удара существенно и резко падает до давления торможения несжимаемых сред. Так как разрушение горной породы и создание перфорационных каналов, в большей мере, происходит в результате воздействия на ее поверхность давления, а также касательных напряжений, вызываемых радиальными течениями жидкости, желательно все же иметь обе эти составляющие, что и обеспечивает устройство. The tubing is connected to the sub 4 of the drill, on which it is lowered into the interval of well perforation, the mouth is tied up by pumping units and the technological fluid is flushed, which is tangentially directed along the input longitudinal channels 21 to the turbines 20, driving the shaft 18 with elongated cams 23. alternately open or close the eccentric side holes 26 of the disks 24, where the process fluid rushes, the other part through the output axial channels 22 is directed to another lower th section. At the same time, when the technological fluid in the system of longitudinal 21, axial 22 and radial 17 channels enters the cavity above the elastic cup 13, with increasing pressure the elastic cup 13 is compressed and squeezes the oil 15 inside the cylindrical cavities 8, while the rods 10 compress the springs 9 and extend to the walls of the casing and, tightly clinging to them, carry out the alignment in the transverse and fixation in the longitudinal directions of the body / 1,2,3,4 / punch relative to the perforated casing. As a result of this, intermittent jets flowing out of nozzles 29 strike at the same point. When a short jet interacts with a destructible surface (casing, cement stone and rock), high pressure develops, with some approximation, equal to the pressure of hydraulic shock, determined by the formula of N.E. Zhukovsky. A short jet with practically no loss of kinetic energy reaches the destructible surface. Since the duration of this high pressure is very short, if the duration of the intermittent jet of this period is exceeded, which is regulated in the device by the size and shape of the cams 23, the degree of eccentricity of the side holes 26 in the disks 24, the size and number of input longitudinal channels 21, affecting the shaft rotation frequency 18, a radial fluid flow has time to occur, parallel to the eroded surface being destroyed, and the pressure at the point of impact significantly and sharply drops to the braking pressure I'm incompressible environments. Since the destruction of the rock and the creation of perforation channels, to a greater extent, occurs as a result of exposure to its surface pressure and shear stresses caused by radial fluid flows, it is desirable to still have both of these components, which provides the device.

После определенного периода времени циркуляцию прекращают, валы 18 с турбинками 20 и кулачками 23 останавливаются. Давление над эластичным стаканом 13 падает, он распрямляется и пружины 9 задвигают штоки 10 внутрь цилиндрических полостей 8. Перфоратор переносят на новую отметку или поднимают на поверхность. After a certain period of time, the circulation is stopped, the shafts 18 with the turbines 20 and the cams 23 stop. The pressure above the elastic cup 13 drops, it straightens and the springs 9 push the rods 10 into the cylindrical cavities 8. The hammer drill is transferred to a new mark or raised to the surface.

Предлагаемый импульсный гидравлический перфоратор отличается существенно уменьшенной и упрощенной конструкцией и принципом действия привода и генератора, формирующего прерывистые струи; позволяет предупредить биение в обсадной колонне и исключить влияние вибрационного удлинения НКТ, вызванного пульсациями давлений поршневых насосов цементировочных агрегатов и импульсами давлений, генерируемых перфоратором, на размеры сечения перфорационных каналов, то есть не растрачивать энергию прерывистой струи на разрушение вовлекаемых новых поверхностей, а увеличить время воздействия на одну точку для создания за определенный отрезок времени более углубленного перфорационного канала уменьшает отрицательные последствия влияния возвратных потоков в перфорационном канале на короткие струи в начальный период прерывистой струи, когда еще не возникло радиальное, а затем обратное течение, и тем самым также позволяет увеличить протяженность перфорационных каналов. ЫЫЫ2 The proposed pulsed hydraulic hammer drill has a significantly reduced and simplified design and the principle of operation of the drive and generator, forming intermittent jets; it allows to prevent runout in the casing and to exclude the influence of vibrational elongation of the tubing caused by pressure pulsations of the piston pumps of cementing aggregates and pressure pulses generated by the perforator on the cross-sectional dimensions of the perforation channels, that is, not to waste the energy of the intermittent jet on the destruction of the new surfaces involved, but to increase the exposure time by one point to create a deeper perforation channel over a certain period of time reduces the negative effects of the return flows in the perforation channel to short jets in the initial period of the discontinuous jet, when a radial and then reverse flow has not yet arisen, and thereby also allows increasing the length of the perforation channels. YYY2

Claims

A pulsed hydraulic hammer drill, comprising a housing with a longitudinal channel, nozzles and a pressure pulse generator assembly in the form of a shaft mounted on bearings, a turbine connected to the shaft and an opening-closing element for the side openings associated with the shaft, characterized in that it is provided a centralizer-clamp assembly of the housing with retractable rods, and the housing is made with radial channels hydraulically connected to the axial channel and overlapped disks with eccentric side holes in which the nozzles are located, pressure pulse generator assembly disposed in the radial channels in which the input of the longitudinal channel is formed with a tangential direction to the impeller, and the element opening and closing lateral openings made in the form of cams.