RU2061849C1

RU2061849C1 - Pulsed borehole perforator

Info

Publication number: RU2061849C1
Application number: RU93050693A
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: opening productive horizontal oil, gas, and water intake wells. SUBSTANCE: device has hydraulic fixer-centering guide with extended rods and hydraulic cylinders. Hydraulic cylinders are placed in diametrically opposite sides and in perpendicular planes at different levels. The device has also hydromonitoring sections with radial passage in the case, inlet tangential lengthwise passage, and outlet lengthwise passages on ends of radial passage. Radial passage is overlapped with lids with bearings. Shaft with unilateral rod-type lug in the middle is placed in the bearings. Rod-type lug butt completely overlaps clearances in diametrically opposite lateral openings. Nozzles are placed in the openings. Shock absorber with rectangular rubber members is installed at the top. Pipe ring ledge is used as separator. The pipe is placed in two-step sleeve and may be moved in axial direction. Upper rest 29 is used to keep those. EFFECT: high reliability. 5 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для вторичного вскрытия продуктивных пластов и их перестрела перед и после изоляционных работ в нефтяных и газовых скважинах. The invention relates to the mining industry, in particular to devices for the secondary opening of productive formations and their shooting before and after insulation work in oil and gas wells.

Известен импульсный гидроперфоратор, включающий корпус с продольным каналом, боковые отверстия в корпусе, сопла, размещенные в боковых отверстиях, и элемент открытия-закрытия боковых отверстий генератора импульсов давлений. Known pulse hydroperforator, comprising a housing with a longitudinal channel, side openings in the housing, nozzles located in the side openings, and an opening-closing element of the side openings of the pressure pulse generator.

Недостатком этого гидроперфоратора, формирующего прерывистые струи, является сложная конструкция генератора импульсов давления с множеством перемещающихся относительно друг друга деталей с отверстиями и каналами в них, что, учитывая абразивную среду, в которой они работают, снижает надежность. Кроме того, импульсы давления, создаваемые перфоратором, накладываясь на пульсации давления, вызванные поршневыми насосами, оказывают повышенные нагрузки на насосно-компрессорные трубы /НКТ/ и могут достигнуть критических, а импульсные реактивные силы истечения прерывистых струй из сопл вызовут дополнительное поперечное биение гидроперфоратора в скважине и вместе будут способствовать увеличению площади сечения перфорационных каналов в ущерб их протяженности. The disadvantage of this hydroperforator, forming intermittent jets, is the complex design of the pressure pulse generator with many moving relative to each other parts with holes and channels in them, which, given the abrasive environment in which they work, reduces reliability. In addition, the pressure pulses generated by the perforator, superimposed on the pressure pulsations caused by the piston pumps, exert increased loads on the tubing / tubing / and can reach critical loads, and the pulsed reactive forces of the discontinuous jets from the nozzles will cause additional transverse runout of the hydraulic perforator in the well and together they will contribute to increasing the cross-sectional area of the perforation channels to the detriment of their length.

Наиболее близким является импульсный гидроперфоратор, включающий гидромониторный корпус с продольным каналом, вал, размещенный в корпусе, элемент открытия-закрытия боковых отверстий корпуса и сопла, помещенные в боковых отверстиях. The closest is a pulse hydroperforator, including a hydraulic monitor housing with a longitudinal channel, a shaft located in the housing, an opening-closing element of the side openings of the housing and nozzles placed in the side openings.

Недостатком этого импульсного гидроперфоратора является сложность и громоздкость конструкции привода генератора импульсов давления. Генератор импульсов давления формирует короткие струи в момент совмещения отверстия в роторе с боковыми отверстиями корпуса, то есть очень малый сектор по сравнению с полным оборотом ротора, поэтому мало и время воздействия на разрушаемую горную породу. Импульсный гидроперфоратор также не предусматривает механизмов его центровки и фиксации относительно обсадной колонны, что уменьшает скорости создания перфорационных каналов в глубину, и механизма защиты НКТ от чрезмерных вибрационных нагрузок. The disadvantage of this pulse hydroperforator is the complexity and cumbersome design of the drive of the pressure pulse generator. The pressure pulse generator generates short jets at the moment of alignment of the holes in the rotor with the side openings of the housing, that is, a very small sector compared to the full rotation of the rotor, therefore, the exposure time to destructible rock is short. Pulse hydroperforator also does not provide mechanisms for its alignment and fixation relative to the casing string, which reduces the speed of creation of perforation channels in depth, and the protection mechanism of the tubing from excessive vibration loads.

Сущность изобретения заключается в том, что импульсный гидроперфоратор снабжен резиновым амортизатором, размещенным над гидромониторным корпусом, и гидравлическим фиксатором-центратором с выдвижными штоками, размещенным под гидромониторным корпусом, который выполнен с радиальным каналом в плоскости, перпендикулярной плоскости боковых отверстий и перекрыт крышками с подшипниками и тангенциально сообщается в средней части с продольным каналом, имеющим выход в нижней части корпуса по концам радиального канала, а вал размещен в крышках радиального канала и выполнен с односторонним стержневым приливом в средней части, длиной, соответствующей радиусу радиального канала и площадью торцевой части, не меньшей просвета боковых отверстий. The essence of the invention lies in the fact that the pulse hydroperforator is equipped with a rubber shock absorber located above the hydraulic monitor housing and a hydraulic clamp-centralizer with retractable rods located under the hydraulic monitor housing, which is made with a radial channel in a plane perpendicular to the plane of the side holes and is covered by covers with bearings and tangentially communicates in the middle part with a longitudinal channel having an outlet in the lower part of the housing at the ends of the radial channel, and the shaft is placed in the cover radial hole and is adapted to unilateral rod tide in the middle of a length corresponding to the radius of the radial hole and the end area of the part not smaller lumen side ports.

Кроме того, амортизатор выполнен из верхнего упора, двухступенчатой втулки и соответствующей ее меньшей ступени патрубка, помещенного внутри двухступенчатой втулки с возможностью осевого перемещения и имеющего уступ в средней части, выше которого до верхнего упора и ниже которого размещены резиновые элементы прямоугольного сечения. In addition, the shock absorber is made of an upper stop, a two-stage sleeve and a corresponding lower stage of the nozzle placed inside the two-stage sleeve with the possibility of axial movement and having a ledge in the middle part, above which up to the upper stop and below which rubber elements of rectangular section are placed.

А также гидравлический фиксатор-центратор выполнен в виде гидроцилиндров, размещенных на разных уровнях и во взаимоперпендикулярных плоскостях, при этом в каждом гидроцилиндре размещено по два подпружиненных штока. And also the hydraulic clamp-centralizer is made in the form of hydraulic cylinders placed at different levels and in mutually perpendicular planes, while in each hydraulic cylinder there are two spring-loaded rods.

Технический результат выражается в упрощении конструкции генератора импульсов давления, повышении эффективности перфорации путем создания углубленных перфорационных каналов за счет увеличения времени воздействия зафиксированной прерывистой струи, а также улучшении условий работы скважинного оборудования при гашении вертикальных вибраций. The technical result is expressed in simplifying the design of the pressure pulse generator, increasing the perforation efficiency by creating deep perforation channels by increasing the exposure time of a fixed intermittent stream, and also improving the working conditions of downhole equipment when damping vertical vibrations.

На фиг. 1 изображен общий вид импульсного гидроперфоратора в исходном положении; на фиг. 2 то же в рабочем положении; на фиг. 3 показано сечение А-А на фиг. 2 в момент перекрытия односторонним стержневым приливом бокового отверстия; на фиг.4- сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 сечение В-В на фиг. 2. In FIG. 1 shows a General view of a pulsed hydraulic perforator in its original position; in FIG. 2 the same in working position; in FIG. 3 shows a section AA in FIG. 2 at the moment of overlapping with a one-sided rod tide of the side hole; FIG. 4 is a section BB in FIG. 2; in FIG. 5 section BB in FIG. 2.

Импульсный гидроперфоратор состоит снизу вверх из гидравлического фиксатора-центратора, одинаковых гидромониторных секций и резинового амортизатора. Фиксатор-центратор включает корпус 1, который на разных уровнях и во взаимоперпендикулярных плоскостях имеет гидроцилиндры 2. В каждом гидроцилиндре 2 размещено по два противоположно направленных штока 3 с пружинами 4 и две упорные втулки 5 с уплотнениями 6. В корпусе 1 также выполнен осевой канал 7, перекрытый сверху эластичным стаканом 8, а снизу - пробкой 9. При этом гидравлически связанные осевой канал 7 и гидроцилиндры 2 заполнены маслом 10. Гидромониторные секции включают корпус 11, в котором выполнен радиальный канал 12 круглого сечения, а в плоскости, перпендикулярной радиальному каналу 12, в корпусе 11 выполнены в диагонально противоположных сторонах боковые отверстия 13. В боковые отверстия 13 ввернуты сопла /насадкодержатели 14 с твердосплавными насадками 15 и упорным разъемным кольцом 16/. Радиальный канал 12 с двух сторон перекрыт крышками 17, а внутри радиального канала 12 помещен вал 18, вращающийся на подшипниках 19, размещенных в крышках 17. Pulse hydroperforator consists of a bottom-up hydraulic clamp-centralizer, identical hydraulic monitor sections and a rubber shock absorber. The locking-centralizer includes a housing 1, which has hydraulic cylinders 2 at different levels and in mutually perpendicular planes. Two opposite rods 3 with springs 4 and two thrust bushings 5 with seals 6 are placed in each hydraulic cylinder 2. Axial channel 7 is also made in housing 1 , blocked from above by an elastic cup 8 and from below by a plug 9. In this case, the hydraulically connected axial channel 7 and hydraulic cylinders 2 are filled with oil 10. The hydraulic monitor sections include a housing 11 in which a radial channel 12 of circular cross section is made, and in oskosti perpendicular to the radial channel 12 in the housing 11 are formed in diagonally opposite sides of side openings 13. The side holes 13 are screwed nozzle / 14 nasadkoderzhateli carbide nozzles 15 and the thrust ring 16 is detachably /. The radial channel 12 is blocked on both sides by covers 17, and inside the radial channel 12 there is a shaft 18 rotating on bearings 19 located in the covers 17.

Вал 18 имеет в средней части односторонний прилив 20 в виде стержня с площадью торцевой части 21 не меньшей просвета боковых отверстий 13 под сопла 14-16 и длиной, соответствующей радиусу радиального канала 12. В верхней части корпуса 11 выполнен тангенциально входной продольный канал 22 в среднюю часть радиального канала 12, а в нижней части корпуса 11 выполнены по концам радиального канала 12 выходные продольные каналы 23. При этом оси двух боковых отверстий 13 могут быть смещены относительно горизонтальной плоскости на угол α в сторону, совпадающую с направлением входного тангенциального канала 22, а в цилиндрическом корпусе 11 выфрезерованы скошенные пазы 24. Амортизатор включает двухступенчатую втулку 25 и концентрично расположенный в нем с возможностью осевого перемещения, патрубок 26, выполненный с кольцевым уступом 27 в средней части, причем диаметр патрубка 26 соответствует меньшей ступени втулки 25. Между патрубком 26 и двухступенчатой втулкой 25 как ниже, так и выше кольцевого уступа 27 размещены резиновые элементы 28 прямоугольного сечении меньшего объема. Верхний резиновый элемент удерживается верхним торцевым упором 29 двухступенчатой втулки 25. Корпус 1 фиксатора-центратора, корпусы 11 гидромониторов и двухступенчатая втулка 25 амортизатора соединены между собой резьбами 30 и уплотнены резиновыми кольцами 31. Количество гидромониторных секций выбирают исходя из режимно-технологических параметров и при соединении, например, двух секций их подбирают таким образом, чтобы направление насадок 15 разных секций находилось в перпендикулярных плоскостях. Для подсоединения импульсного гидроперфоратора к НКТ вверху патрубка 26 выполнена трубная резьба 32. The shaft 18 has in the middle part a one-sided tide 20 in the form of a rod with an area of the end part 21 of at least the clearance of the side holes 13 for the nozzles 14-16 and a length corresponding to the radius of the radial channel 12. In the upper part of the housing 11 there is a tangential inlet longitudinal channel 22 into the middle part of the radial channel 12, and in the lower part of the housing 11 are made at the ends of the radial channel 12 output longitudinal channels 23. In this case, the axes of the two side holes 13 can be offset relative to the horizontal plane by an angle α in the direction that coincides with the direction of the input tangential channel 22, and beveled grooves are milled in the cylindrical body 11. The shock absorber includes a two-stage sleeve 25 and a concentric located in it with the possibility of axial movement, a pipe 26 made with an annular ledge 27 in the middle part, and the diameter of the pipe 26 corresponds to a lower stage bushings 25. Between the pipe 26 and the two-stage sleeve 25 both lower and higher than the annular ledge 27 are rubber elements 28 of a rectangular cross section of a smaller volume. The upper rubber element is held by the upper end stop 29 of the two-stage sleeve 25. The housing 1 of the clamp-centralizer, the bodies 11 of the hydraulic monitors and the two-stage sleeve 25 of the shock absorber are interconnected by threads 30 and sealed with rubber rings 31. The number of the hydraulic monitor sections is selected based on the operating parameters and connection for example, two sections are selected so that the direction of the nozzles of 15 different sections is in perpendicular planes. To connect a pulsed hydraulic perforator to the tubing, a pipe thread 32 is made at the top of the pipe 26.

Импульсный гидроперфоратор работает следующим образом. Прокачиваемая насосными агрегатами по НКТ перфорационная жидкость по тангенциальному каналу 22 поступает в радиальный канал 12, где приобретает ускоренное вращательное движение, увлекая за собой односторонний стержневой прилив 20, который также вместе с валом 18 начинает вращаться, при этом попеременно закрывает то одно, то другое боковое отверстие 13, в результате из насадок 15 истекают прерывистые струи. Другая часть перфорационной жидкости от средней части радиального канала 12 раздваивается в обе стороны и по выходным продольным каналам 23 направляется к нижестоящей гидромониторной секции и от нее дальше к фиксатору-центратору. С повышением давления насосными агрегатами в полости над эластичным стаканом 8, последний сжимается и выдавливает масло 10 внутрь осевого канала 7 и гидроцилиндры 2, при этом штоки 3, сжимая пружины 4, выдвигаются наружу до соприкосновения с обсадной колонной. Происходит жесткая фиксация и устойчивая во всех плоскостях и сечениях центрация импульсного гидроперфоратора относительно обсадной колонны. С повышением давления также увеличиваются пульсации давления поршневых наземных насосов цементировочных агрегатов и пульсации давления, вызванные гидромониторными узлами перфоратора. В этом случае амплитуда упругих волн, распространяющихся от импульсного гидровибратора по металлу НКТ частично снижается амортизатором, резиновые элементы 28 которого, демпфируя, уменьшают передачу силовых импульсов, возникающих вдоль оси. Pulse hydroperforator works as follows. The perforation fluid pumped through the tubing by pumping units along the tangential channel 22 enters the radial channel 12, where it acquires accelerated rotational motion, entraining a one-sided rod tide 20, which also starts to rotate together with the shaft 18, while alternately closing one or the other side hole 13, resulting in discontinuous jets from nozzles 15. The other part of the perforation liquid from the middle part of the radial channel 12 is bifurcated in both directions and is directed along the output longitudinal channels 23 to the lower hydromonitor section and further from it to the centralizer latch. With increasing pressure of the pump units in the cavity above the elastic sleeve 8, the latter is compressed and squeezes the oil 10 into the axial channel 7 and the hydraulic cylinders 2, while the rods 3, compressing the springs 4, are pulled outward until they come into contact with the casing. Rigid fixation and centration of the pulse hydroperforator relative to the casing are stable in all planes and sections. With increasing pressure, the pressure pulsations of the piston ground pumps of cementing units and the pressure pulsations caused by the hydromonitor units of the perforator also increase. In this case, the amplitude of the elastic waves propagating from the pulsed hydraulic vibrator through the tubing metal is partially reduced by the shock absorber, the rubber elements 28 of which, damping, reduce the transmission of power pulses arising along the axis.

Процесс создания перфорационных каналов идет в следующей последовательности. В начальный момент открытия бокового отверстия 13 стержневым приливом 20 происходит "выстреливание" струи жидкости из насадка 15, как за счет разности давления внутриколонном и заколонном пространствах НКТ, так и в результате усиленного вращающегося потока внутри радиального канала 13, созданного входным тангенциальным продольным каналом 22, а значит высоких центробежных сил, в этом случае наклонное расположение бокового отверстия 13 по отношению к горизонтали под углом a, совпадающее с направлением тангенциального канала 22, может усилить эффект, так как в меньшей степени оказывает сопротивление центробежному потоку, причем чем больше угол смещения, тем меньше сопротивления. Происходит мощный гидравлический удар о поверхность обсадной колонны или горной породы. При этом отраженные от обсадной колонны струи смещаются в сторону /соответственно ниже и выше/ от насадкодержателя 14 и его резьбового соединения с корпусом 11, тем самым уменьшая их абразивный износ в ответственном месте перфоратора. Возвратные же потоки в перфорационном канале еще не успевают сформироваться и поэтому короткая струя практически без потерь кинетической энергии достигает передовой рубеж перфорационного канала. Под воздействием высокого давления струи напряжения в горной породе достигают и превышают предельные, вызывая разрушение. Затем возникает радиальное течение жидкости, параллельное поверхности, и давление в точке удара падает до давления торможения несжимаемых сред. При этом происходит разрушение обсадной колонны и горной породы струей, содержащей твердые частицы, обусловленное эрозионным воздействием. Наклонное направление сопл 14-16 к обсадной колонне дополнительно усиливает абразивное действие струи. В процессе оборота стержневого прилива 20 перфорационная жидкость устремляется в боковое отверстие 13 также за счет двух составляющих это перепада давления внутритрубном и затрубном пространствах, а также центробежных сил вращающегося в радиальном канале 12 потока, что естественно повышает ее скорость и давление в точке удара. Далее вращающийся стержневой прилив 20 на мгновение перекрывает боковое отверстие 13 и процесс повторяется. Поскольку импульсный гидроперфоратор строго отцентрирован и жестко зафиксирован относительно обсадной колонны основные прерывистые струи, истекающие из насадков 15 ударяют в одну и ту же точку, что позволяет не растрачивать энергию на образование новой поверхности разрушения в стороне от основного канала. А если одну из насадок 15 двух взаимопротивоположных сопл 14-16 направить вниз, а другую вверх, то созданием углубленного перфорационного канала одновременно можно повысить степень вертикального вскрытия продуктивного пласта. Причем, чем больше угол a и глубина перфорационного канала, тем больше совершенство вскрытия пласта по мощности. The process of creating perforation channels is in the following sequence. At the initial moment of opening the lateral hole 13 with the rod tide 20, a "jet" of liquid is "shot" from the nozzle 15, both due to the pressure difference between the annular and annular spaces of the tubing, and as a result of the enhanced rotating flow inside the radial channel 13 created by the inlet tangential longitudinal channel 22, which means high centrifugal forces, in this case, the inclined location of the side hole 13 with respect to the horizontal at an angle a, coinciding with the direction of the tangential channel 22, can enhance effect, since it is less resistant to centrifugal flow, and the larger the angle of displacement, the less resistance. A powerful hydraulic shock occurs on the surface of the casing or rock. At the same time, the jets reflected from the casing are displaced to the side /, respectively, lower and higher / from the nozzle holder 14 and its threaded connection with the housing 11, thereby reducing their abrasive wear in the critical place of the punch. Return flows in the perforation channel do not yet have time to form, and therefore, a short jet with virtually no loss of kinetic energy reaches the front line of the perforation channel. Under the influence of high pressure jets of stress in the rock reach and exceed the limit, causing destruction. Then a radial fluid flow arises parallel to the surface, and the pressure at the point of impact drops to the braking pressure of incompressible media. In this case, the casing and rock are destroyed by a jet containing solid particles caused by erosion. The oblique direction of the nozzles 14-16 to the casing further enhances the abrasive effect of the jet. In the process of turning the rod tide 20, the perforation fluid rushes into the side hole 13 also due to the two components of the pressure drop in the tube and annulus, as well as the centrifugal forces of the stream rotating in the radial channel 12, which naturally increases its speed and pressure at the point of impact. Next, the rotating rod tide 20 momentarily closes the side hole 13 and the process repeats. Since the pulsed hydroperforator is strictly centered and rigidly fixed relative to the casing, the main discontinuous jets flowing from the nozzles 15 hit the same point, which makes it possible not to waste energy on the formation of a new fracture surface away from the main channel. And if one of the nozzles 15 of two mutually opposite nozzles 14-16 is directed down and the other up, then by creating a deep perforation channel at the same time, you can increase the degree of vertical opening of the reservoir. Moreover, the greater the angle a and the depth of the perforation channel, the greater the perfection of opening the reservoir in terms of power.

После определенного периода времени, идущего на создание перфорационных каналов, циркуляцию останавливают, при этом вал 18 с односторонним стержневым приливом 20 перестает вращаться, давление во внутритрубном пространстве стравливается одновременно через все сопла 14-16, в результате эластичный стакан 8 распрямляется, а пружины 4 задвигают штоки 3 внутрь гидроцилиндров 2 корпуса 1. Импульсный гидроперфоратор переносят на новую отметку и процесс импульсной гидроперфорации повторяют или поднимают на поверхность. After a certain period of time spent on the creation of perforation channels, circulation is stopped, while the shaft 18 with the one-sided rod tide 20 stops rotating, the pressure in the in-tube space is vented simultaneously through all nozzles 14-16, as a result, the elastic cup 8 is straightened, and the springs 4 are retracted rods 3 inside the hydraulic cylinders 2 of the housing 1. The pulse hydroperforator is transferred to a new level and the process of pulse hydroperforation is repeated or raised to the surface.

Предлагаемый импульсный гидроперфоратор отличается простой конструкцией генератора импульсов давления; надежной и эффективной работой, позволяющей увеличить время воздействия прерывистой струи на поверхность разрушения, а значит увеличить глубину перфорационных каналов; он защищен от поломок, вызываемых вибрационными нагрузками; обеспечивает надежную центровку корпуса во всех плоскостях. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 The proposed pulse hydroperforator is characterized by a simple design of a pressure pulse generator; reliable and efficient operation, allowing to increase the time of exposure of a discontinuous jet to the fracture surface, and therefore increase the depth of perforation channels; it is protected from breakdowns caused by vibration loads; provides reliable alignment of the body in all planes. YYY2 YYY4

Claims

1. Pulse hydroperforator, comprising a hydraulic monitor housing with a longitudinal channel, a shaft located in the housing, an opening-closing element for the side holes of the housing and nozzles placed in the side holes, characterized in that it is equipped with a rubber shock absorber located above the hydraulic monitor housing and a hydraulic lock centralizer with retractable rods placed under the hydro-monitor housing, which is made with a radial channel in a plane perpendicular to the plane of the side openings, covered by covers with bearings in the middle part, it communicates tangentially in the middle part with a longitudinal channel having an outlet in the lower part of the housing at the ends of the radial channel, and the shaft is placed in the covers of the radial channel and is made with a one-sided rod tide in the middle part with a length corresponding to the radius of the radial channel and the area of the end part, not smaller clearance of lateral openings.

2. The hydraulic perforator according to claim 1, characterized in that the shock absorber is made of an upper stop, a two-stage sleeve and a corresponding lower stage of a nozzle placed inside the two-stage sleeve with the possibility of axial movement and having a step in the middle part, above which to the upper stop and below which placed rubber elements of rectangular cross section.

3. The hydraulic perforator according to claim 1, characterized in that the hydraulic clamp-centralizer is made in the form of hydraulic cylinders placed at different levels and in mutually perpendicular planes, with two spring-loaded rods in each hydraulic cylinder.