Устройство для гидравлической перфорации скважины

 

Использование: при вскрытии продуктивных пластов в скважинах. Цель - создание глубоких щелевых перфорационных каналов ограниченного сечения за счет центрации и уменьшения продольных перемещений корпуса устройства в обсадной колонне путем одновременного гашения гидравлических импульсов, давления и вибрационных удлинений насосно-компрессорных труб. Сущность изобретения: в корпусе жестко закреплена подпружиненная двухступенчатая втулка, образующая кольцевую полость. В ней помещены уплотнительные кольца, чередующиеся с металлическими кольцами, гидравлически связанными с полостью корпуса посредством радиальных отверстий двухступенчатой втулки и наружным пространством посредством дренажных отверстий. Сверху двухступенчатая втулка контактирует с перемещающимся штоком. Он выполнен с кольцевым упором. Выше и ниже него в демпферной камере между корпусом и штоком помещены пружины. Демпферная камера сверху перекрыта крышкой. Ниже двухступенчатой втулки в боковых отверстиях корпуса установлены гидромониторные насадки. Снизу к корпусу крепится корпус маслонаполненной камеры. Он имеет осевые и радиальные каналы. В радиальных каналах расположены стаканы с прямоугольными стенками внутри и отверстиями на дне. В стаканах установлены подпружиненные цилиндры со скобами. Между ними на осях вмонтированы ролики. Осевой канал сверху и снизу перекрыт. 4 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для перфорации скважин в процессе вторичного вскрытия продуктивных горизонтов и перестреле пластов перед и после изоляционных работ.

Известно устройство для гидравлической перфорации, включающее корпус с осевым каналом и боковыми отверстиями под насадки, расположенную ниже насадок маслонаполненную камеру с осевым и радиальными каналами, помещенные в последних подпружиненные цилиндры, эластичный стакан, перекрывающий маслонаполненную камеру сверху, и пробку, перекрывающую осевой канал снизу.

Недостатком устройства является то, что оно не только центрируется, но и жестко фиксируется рифлеными рабочими поверхностями цилиндров в перфорируемой обсадной колонне. Поэтому насосно-компрессорные трубы (НКТ) в результате вибрационного удлинения и сжатия из-за пульсаций давлений, вызванных поршневыми насосами наземных агрегатов, подвержены распространению в них упругих волн, влияющих разрушающе. А фиксация устройства дополнительно увеличивает амплитуду упругих волн. Кроме того, при точечной гидроперфорации, что происходит в результате жесткой центровки и фиксации устройства относительно обсадной колонны, скорость создания перфорационного канала увеличивается лишь за счет уменьшения объема разрушаемой поверхности (площади сечения канала), да и то только в начальный период, что позволяет применять малоабразивные перфорационные жидкости. Затем, когда увеличивается сопротивление возвратных потоков в перфорационном канале, замедляется и скорость создания перфорационного канала. Поэтому на создание глубоких точечных перфорационных каналов потребуется все же больше времени, тем, например, на создание щелевого канала, то есть при меньшем сопротивлении возвратных потоков той же протяженности, а учитывая, что при создании точечного перфорационного канала и сечение перфорационного канала значительно меньше, чем щелевого канала, то хуже и гидродинамическое совершенство вскрытия.

Известно также устройство для гидравлической перфорации скважины, включающее корпус с двухступенчатым осевым каналом, боковыми и дренажными отверстиями, насадки, помещенные в боковых отверстиях, подпружиненную двухступенчатую втулку, помещенную в корпусе выше насадок и образующую с корпусом кольцевую полость против его дренажных отверстий, шток, связанный с двухступенчатой втулкой и образующий с корпусом демпферную камеру, крышку демпферной камеры и узел выдвижных центрирующих элементов.

Недостатком этого устройства является то, что оно также жестко фиксируется в продольном сечении относительно обсадной колонны выдвижными элементами (плашками), поэтому глубина создаваемых им перфорационных каналов и объемы выработки небольшие. Так как шток жестко связан с двухступенчатой втулкой, а демпферная камера гидравлически сообщена с осевым каналом корпуса и кольцевая полость имеет дренажное отверстие в затрубное пространство, то двухкратно увеличивается вероятность подклинки при попадании твердых частиц в контактную зону перемещающихся деталей и полное прекращение гашения продольных вибраций НКТ при накоплении твердых частиц дисперсной фазы перфорационной жидкости и ее уплотнении в кольцевой и, особенно, в дренажной полостях. Кроме того, устройство не предусматривает гашения гидравлических импульсов давления, поэтому звено из штока и двухступенчатой втулки должно осуществлять осевые перемещения большой амплитуды, что при высоких частотах пульсаций они не успевают совершать, поэтому они лишь частично уменьшают амплитуду вибрационных упругих волн, распространяющихся от устройства по металлу НКТ.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для гидравлической перфорации скважины двухступенчатая втулка выполнена с чередующимися между собой уплотнительными и металлическими кольцами, помещенными в кольцевой полости, и жестко соединена с корпусом, дренажные отверстия которого выполнены против верхней части кольцевой полости, а шток выполнен с кольцевым упором в средней части и пружин выше и ниже его и установлен с возможностью осевого перемещения относительно двухступенчатой втулки, нижняя часть которой выполнена с радиальными отверстиями, сообщающими ее полость с кольцевой полостью, при этом узел выдвижных центрирующих элементов помещен ниже насадок и выполнен в виде маслонаполненной камеры с осевым и радиальными каналами, в последних из которых установлены стаканы с прямоугольными стенками внутри и отверстиями на дне, и подпружиненных цилиндров с торцевым буртиком, скобами и роликами между скобами, помещенных в стаканах.

Цель изобретения повышение эффективности перфорации путем увеличения глубины и объемов выработки перфорационных каналов за счет создания строго щелевого канала с ограниченной длиной щели при одновременном гашении пульсаций давлений и вибрационных удлинений насосно-компрессорных труб и только центровки устройства, исключая строгую фиксацию.

На фиг. 1 изображено устройство в исходном положении; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 устройство, вид сбоку; на фиг.4 же то в рабочем положении.

Устройство для гидравлической перфорации скважины состоит из корпуса 1 с двухступенчатым осевым каналом со ступенями 2, 3. Напротив меньшего диаметра ступени 2 осевого канала в корпусе 1 выполнены боковые отверстия 4. В боковые отверстия 4 ввернуты насадкодержатели 5 с твердосплавными насадками 6, удерживаемые разрезными кольцами 7. В двухступенчатый осевой канал в ступенях 2, 3 корпуса 1 выше насадок 6 помещена соответствующих диаметров подпружиненная двухступенчатая втулка 8, которая, например, нижним концом с нарезанной резьбой 9 жестко соединена с корпусом 1. Двухступенчатая втулка 8 образует с второй ступенью 3 осевого канала корпуса 1 кольцевую полость 10. Выше резьбового соединения 9 двухступенчатая втулка 8 имеет радиальные отверстия 11 в кольцевую полость 10, а напротив верхней части кольцевой полости 10 в корпусе 1 выполнены дренажные отверстия 12. Внизу кольцевой полости 10 размещены: напротив радиальных отверстий 11 упорная втулка 13; а далее уплотнительные кольца 14 круглого сечения, чередующиеся с металлическими плоскими кольцами 15, которые вместе подпираются пружиной 16. Сверху в двухступенчатую втулку 8 установлен с возможностью осевого перемещения шток 17 с уплотнительным кольцом 18 в нижней части, кольцевым упором 19 в средней части и резьбой 20 для подсоединения к НКТ в верхней части, образующий с второй ступенью 3 осевого канала корпуса 1 демпферную камеру 21. Наружный диаметр кольцевого упора 19 несколько меньше диаметра второй ступени 3 осевого канала. Ниже и выше кольцевого упора 19 в демпферную камеру 21 помещены пружины 22 и 23, а сама демпферная камера 21 заполнена, например, маслом 24 или воздухом и сверху изолирована крышкой 25, контактирующей со штоком 17. Внизу корпус 1 посредством резьбового соединения 26, уплотненного резиновым кольцом 27, соединен с корпусом 28 маслонаполненной камеры 29 из сообщающихся и сквозных осевого 30 и радиальных 31 каналов. В радиальные каналы 31 с одной стороны ввернуты стаканы 32 с прямоугольными стенками 33 внутри и отверстием 34 на дне, в которые установлены выдвижные центрирующие элементы, выполненные соответственно в виде скоб 35 с цилиндром 36, снабженных с торца буртиками 37, между которыми и дном стаканов 32 помещены пружины 38. А между скобами 35 выдвижных элементов на осях 39 вмонтированы ролики 40 впотай стаканов 32. Цилиндры 36 выдвижных элементов уплотнены в отверстиях 34 стаканов 32 резиновыми кольцами 41. С другой стороны радиальные каналы 31 перекрыты дисками 42. Сверху осевой канал 30 перекрыт эластичным стаканом 43, а снизу пробкой 44.

Устройство для гидравлической перфорации скважины работает следующим образом.

Устройство на НКТ спускают в интервал перфорации скважины, обвязывают устье и восстанавливают круговую циркуляцию насосными агрегатами. С повышением перепада давления в насадках 6 эластичный стакан 43 сжимается и выдавливает масло 29 внутрь осевого канала 30, в результате чего цилиндры 36 сжимают пружины 38 и выдвигают ролики 40 до соприкосновения с обсадной колонной 45 и центрируют устройство. Под действием перепада давления в насадках 6 перфорационная жидкость через радиальные отверстия 11 также поступает в кольцевую полость 10 против дренажных отверстий и приподнимает уплотнительные кольца 14 с металлическими кольцами 15, которые сжимают пружину 16, а жидкость, находящаяся в кольцевой полости 10, вытесняется через дренажное отверстие 12. Наличие чередующихся уплотнительных колец 14 с металлическими кольцами 15 позволит до минимума снизить вероятность заклинки последних составляющих так называемого поршня (палец 14, 15) в случае попадания абразивных частиц в зону контакта, а также прижимные с двух сторон (с одной стороны пружиной 16, а с другой стороны внутренним давлением) уплотнительные кольца 14 гарантируют надежную изоляцию внутриколонного и заколонного пространств. При пульсации давления, вызванной поршневыми насосами наземных агрегатов, происходит попеременное поступление перфорационной жидкости при положительном скачке давления через радиальное отверстие 11 в кольцевую полость 10, а при отрицательном скачке давления частичное вытеснение ее из кольцевой полости 10 продольно перемещающимися уплотнительными кольцами 14, что позволяет сгладить импульсы давления в прокачиваемой перфорационной жидкости непосредственно на забое в устройстве. Уменьшенная амплитуда пульсаций давления приведет к уменьшению продольных вибрационных удлинений и сжатий НКТ, поэтому частично величину вибрационных перемещений НКТ будет воспринимать подпружиненный шток 17, который при уменьшенном положительном скачке давления входит в двухступенчатую втулку 8, при этом он сжимает пружину 22, а масло 24 через зазор между корпусом 1 и кольцевым упором 19 перетекает в верхнюю половину демпферной камеры 21. При уменьшенном отрицательном скачке давления, наоборот, шток 17, контактируя с двухступенчатой втулкой 8, приподнимается вверх и сжимает пружину 23, а масло 24 перетекает в нижнюю половину демпферной камеры 21. Защищенная от попадания абразива демпферная камера 21 позволит непрерывно и плавно без рывков гасить вибрационное удлинение и сжатие НКТ даже в случае небольшого ухудшения работы гасителя импульсов давления. Существенно сниженная остаточная величина продольных перемещений устройства воспринимается роликами 40, которые, вращаясь на осях 39, перекатываются по стенке обсадной колонны 45, что и позволяет одновременно с центровкой устройства сохранить эти продольные перемещения малой амплитуды. Поэтому в результате центрирования устройства и уменьшения, но не полного гашения, продольных вибрационных перемещений корпуса 1, истекающие из насадков 6 основные струи 46 образуют в обсадной колонне 45 и горной породе 47 строго щелевой перфорационный канал 48 с шириной, соответствующей при создании точечного канала, а длиной несколько меньше, чем при неуправляемой щелевой перфорации. Причем глубина ограниченного щелевого перфорационного канала достигается также большой, поскольку возвратные потоки 49 при продольном смещении основной струи 46 в крайние точки истекают из противоположных свободных проемов перфорационного канала, не вызывая существенных сопротивлений. После остановки циркуляции все элементы и узлы конструкции принимают исходное положение (фиг.1).

Предлагаемое устройство позволяет в процессе перфорации путем центрации и уменьшения продольных перемещений корпуса с насадами влиять на форму сечения образующихся щелевых каналов с ограниченной шириной и длиной, тем не менее достаточной для создания глубоких перфорационных каналов в короткие сроки, одновременно существенно и гарантировано снизить амплитуду упругих волн, распространяющихся от устройства по металлу НКТ, и пульсации внутреннего давления, а значит предупредить их разрушение или разгерметизацию со всеми отрицательными последствиями.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПЕРФОРАЦИИ СКВАЖИНЫ, включающее корпус с двухступенчатым осевым каналом, боковыми и дренажными отверстиями, насадки, помещенные в боковых отверстиях, подпружиненную двуступенчатую втулку, помещенную в корпусе выше насадок и образующую с корпусом кольцевую полость напротив его дренажных отверстий, шток, связанный с двухступенчатой втулкой и образующий с корпусом демпферную камеру, крышку демпферной камеры и узел выдвижных центрирующих элементов, отличающееся тем, что двуступенчатая втулка выполнена с чередующимися уплотнительными и металлическими кольцами, помещенными в кольцевой полости, и жестко соединена с корпусом, дренажные отверстия которого выполнены напротив верхней части кольцевой полости, а шток выполнен с кольцевым упором в средней части и пружин выше и ниже его и установлен с возможностью осевого перемещения относительно двуступенчатой втулки, нижняя часть которой выполнена с радиальными отверстиями, сообщающими ее полость с кольцевой полостью, при этом узел выдвижных центрирующих элементов помещен ниже насадок и выполнен в виде маслонаполненной камеры с осевым и радиальными каналами, в последних из которых установлены стаканы с прямоугольными стенками внутри и отверстиями на дне, и подпружиненных цилиндров с торцевым буртиком, скобами и роликами между скобами, помещенных в стаканах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4