RU2038466C1

RU2038466C1 - Hydroperforator

Info

Publication number: RU2038466C1
Application number: RU93010254A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Петров
Original assignee: Николай Александрович Петров
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: repair and insulation works in wells. SUBSTANCE: hydroperforator has two interconnected sections. Upper section has hollow body with notched side walls, with notches being made in the form of holders for receiving hard-alloy inserts formed as generating and reversed cones. Side surface of generating cone is further provided with helical grooves. Inserts are provided with channels. Split rings are positioned within holders in spaced relation with respect to inserts. Retainer has body with axial channel and through channels extending in four planes. Spring-loaded stems and plugs are positioned within through openings. Cover is mounted in the vicinity of bottom portion of axial channel and spring-loaded blind piston is mounted adjacent to upper portion of axial channel. Chamber defined between cover and piston is filled with oil. EFFECT: reliable centering and retaining of body in casing string, increased tightness and service life of members of oil-filled retainer in abrasive, corrosive and high-temperature medium, elimination of enhanced abrasive wear by baffled streams of liquid flowing through perforations, intensified process of making deep perforated channels with increased input opening section in casing string. 4 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к строительству, освоению, эксплуатации и ремонту скважин, а именно к устройствам для создания каналов в обсадной колонне и горной породе. The invention relates to the mining industry, in particular to the construction, development, operation and repair of wells, and in particular to devices for creating channels in the casing and rock.

Известен гидроперфоратор, включающий полый корпус с боковыми отверстиями, конусообразные насадки с винтовыми канавками, формирующими вращательно-поступательное движение струи жидкости, и генератор гидравлических импульсов давления. A hydroperforator is known, including a hollow body with side openings, cone-shaped nozzles with screw grooves forming a rotational-translational movement of a liquid stream, and a hydraulic pressure pulse generator.

Недостатком известного гидроперфоратора является то, что в насадках с винтовыми канавками на их внутренней поверхности осевого канала теряется скорость потока и уменьшается дальнобойность струй. Кроме того, возникают сложности изготовления винтовых канавок. Генератор гидравлических импульсов давления, позволяющий компенсировать снижение дальнобойности завихряющих насадок, имеет также громоздкую и сложную конструкцию. Но и в результате пульсаций давления и реактивных сил истечения жидкости из насадок низ гидроперфоратора подвержен интенсивной поперечной и продольной вибрации. Поэтому усиливается абразивный износ корпуса отраженными струями при близком расположении среза насадок к обсадной колонне и уменьшается разрушающее действие струй при удалении от разрушаемой поверхности из-за поперечных биений. В результате комплекса продольных и поперечных вибраций будет образовываться канал эллипсообразного сечения большой площади, а создание перфорационного канала необходимой длины с таким сечением повлечет увеличение продолжительности операции по гидравлической резке. A disadvantage of the known hydroperforator is that in nozzles with helical grooves on their inner surface of the axial channel, the flow velocity is lost and the range of the jets is reduced. In addition, there are difficulties in manufacturing helical grooves. The hydraulic pressure pulse generator, which makes it possible to compensate for the decrease in the range of the swirl nozzles, also has a bulky and complex design. But also as a result of pressure pulsations and reactive forces of fluid flow from the nozzles, the bottom of the hydroperforator is subject to intense transverse and longitudinal vibrations. Therefore, the abrasive wear of the body increases with reflected jets at a close proximity of the nozzle cut to the casing and the destructive effect of the jets decreases when moving away from the destructible surface due to transverse beats. As a result of a complex of longitudinal and transverse vibrations, a channel of an ellipsoidal section of a large area will be formed, and the creation of a perforation channel of the required length with such a section will increase the duration of the hydraulic cutting operation.

Известен также гидроперфоратор, включающий полый корпус с боковыми отверстиями, насадки с осевыми конусообразными каналами, помещенные в боковых отверстиях, гидравлический фиксатор корпуса с выдвижными элементами, заглушку в нижней части корпуса и подпружиненный относительно корпуса поршень, помещенный в осевом канале над заглушкой. A hydroperforator is also known, including a hollow body with side openings, nozzles with axial conical channels placed in the side openings, a hydraulic housing lock with extendable elements, a plug in the lower part of the body and a piston spring-loaded relative to the body, placed in the axial channel above the plug.

Недостатком этого гидроперфоратора является то, что он подвержен усиленному абразивному износу отраженными струями жидкости и недостаточно эффективно крепится на перфорируемой обсадной колонне, что сказывается на уменьшении длины перфорационных каналов. Гидроперфоратор недолговечен и ненадежен при работе в абразивной среде. The disadvantage of this hydroperforator is that it is subject to increased abrasive wear by reflected jets of liquid and is not sufficiently effectively attached to the perforated casing, which affects the reduction in the length of the perforation channels. The hydroperforator is short-lived and unreliable when working in an abrasive environment.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом техническом решении насадки выполнены с твердосплавными вкладышами в виде тела, образованного из основного конуса с винтовыми канавками по боковой поверхности и обратного конуса, сопряженных основаниями, а корпус имеет ограничитель перемещения поршня и под насадками выполнен со сквозными по сечению каналами в двух плоскостях, при этом выдвижные элементы выполнены в виде подпружиненных относительно корпуса штоков, размещенных в сквозных каналах с возможностью их перемещения в противоположные стороны, и пробок фиксирующих штоки в сквозных каналах, а поршень и заглушка выполнены глухими и образуют в полости корпуса камеру, которая заполнена маслом. The essence of the invention lies in the fact that in the proposed technical solution, nozzles are made with carbide inserts in the form of a body formed from a main cone with helical grooves along the side surface and a reverse cone mated with bases, and the body has a piston movement limiter and under the nozzles is made with through the cross-section of the channels in two planes, while the sliding elements are made in the form of rods spring-loaded relative to the housing, placed in through channels with the possibility of their movement in opposite sides and plugs of the fixing rods in the through channels, and the piston and plug are blind and form a chamber in the body cavity that is filled with oil.

Технический результат выражается в создании гидравлического экрана для отраженных от обсадной колонны струй перфорационной жидкости, разделение функций элементов устройства и в результате более эффективной центровки и фиксации корпуса гидроперфоратора в перфорируемой обсадной колонне, создания благоприятных условий работы элементов фиксатора в масляной ванне, т.е. огражденной от абразива среде, и повышении герметичности; упрощении конструкции генератора ультразвуковых импульсов давления. The technical result is expressed in the creation of a hydraulic screen for the jets of perforation fluid reflected from the casing, separation of the functions of the device elements and, as a result of more efficient centering and fixing of the hydroperforator body in the perforated casing, creating favorable working conditions of the retainer elements in the oil bath, i.e. the environment protected from abrasive, and increase tightness; simplifying the design of the generator of ultrasonic pressure pulses.

На фиг. 1 изображен разрез гидроперфоратора в транспортном положении; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 гидроперфоратор в процессе гидравлической резки. In FIG. 1 shows a section of a hydroperforator in a transport position; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 section BB in FIG. 1; in FIG. 4 hydroperforator in the process of hydraulic cutting.

Гидроперфоратор состоит из полого корпуса 1 верхней секции с пазами 2 под боковые отверстия 3, в которые ввернуты держатели 4 насадок. Внутри держателей 4 помещены твердосплавные вкладыши 5, выполненные в форме тела с основным 6 и обратным 7 конусами, сопряженных основаниями, причем на боковой поверхности основного конуса 6 выполнены многозаходные винтовые канавки 8. По осевой линии вкладышей 5 выполнены конусообразные осевые каналы 9. Кроме того, в держателях 4 на некотором удалении от вкладышей 5 выполнены проточки 10 под разрезные пружинные кольца 11, предупреждающие выпадение вкладышей 5 из держателей 4. Корпус 1 верхней секции посредством резьбового соединения 12, уплотненного резиновыми кольцами 13, соединен с корпусом 14 гидравлического фиксатора. Корпус 14 фиксатора может быть выполнен круглого сечения или, например для повышения технологичности изготовления, четырехгранным с осевым каналом 15. В стенках корпуса 14 на каждом ярусе 16 перпендикулярно его осевой линии выполнены сквозные по сечению каналы, одно из которых 17 под подпружиненные возвратной пружиной 18 выдвижные элементы, выполненные в виде штоков 19 с уплотнительными кольцами, а на противоположной стенке корпуса 14 несколько больше размеров торцевых уступов 21 штоков 19 канал 22 под пробку 23 с уплотнительными кольцами 24, фиксирующую шток 19. Две плоскости, в которых расположены по два штока 19, направленные в противоположные стороны, параллельны граням корпуса 14 и пересекаются в его осевой линии. В осевом канале 15 внизу ввернута заглушка 25 с уплотнениями 26, при этом образуется камера, которая заполнена маслом 27, и в верхней расширенной части 28 камеры установлены пружина 29, глухой поршень 30 и ограничитель его перемещения вверх, выполненный в виде кольцевого ввертыша 31, сохраняющего гидравлическую связь поршня 30 с полостью корпуса 1. The hydraulic perforator consists of a hollow body 1 of the upper section with grooves 2 under the side holes 3, into which holders 4 of the nozzles are screwed. Inside the holders 4 are placed carbide inserts 5, made in the form of a body with the main 6 and reverse 7 cones, mated with bases, and on the side surface of the main cone 6 there are made multiple helical grooves 8. Conical axial channels 9 are made along the axial line of the inserts 5. In addition, in the holders 4, at some distance from the inserts 5, grooves 10 are made for split spring rings 11 to prevent the inserts 5 from falling out of the holders 4. The housing 1 of the upper section by means of a threaded connection 12 is sealed th rubber rings 13, is connected to the housing 14 of the hydraulic retainer. The housing 14 of the latch can be made of circular cross-section or, for example, to increase the manufacturability, tetrahedral with an axial channel 15. In the walls of the housing 14 on each tier 16 perpendicular to its axial line are made channels that are end-to-end along the section, one of which 17 is retractable 18 elements made in the form of rods 19 with o-rings, and on the opposite wall of the housing 14 are slightly larger than the dimensions of the end ledges 21 of the rods 19 channel 22 under the plug 23 with o-rings 24, fixed guide rod 19. The two planes in which are located on two rods 19 directed in opposite directions parallel to the faces of the housing 14 and intersect in its axial line. In the axial channel 15, a plug 25 with seals 26 is screwed down, a chamber is formed, which is filled with oil 27, and a spring 29, a blind piston 30 and a limiter for its upward movement, made in the form of an annular screw-up 31, are installed in the upper expanded part 28 of the chamber hydraulic connection of the piston 30 with the cavity of the housing 1.

Гидроперфоратор работает следующим образом. Hydroperforator works as follows.

После спуска гидроперфоратора на насосно-компрессорных трубах (НКТ) до необходимой отметки, насосными агрегатами восстанавливают циркуляцию перфорационной жидкости в скважине. С повышением давления поршень 30, сжимая пружину 29, повышает давление масла 27 в камере гидравлического фиксатора, в результате этого штока 19, сжимая пружины 18, выдвигаются до соприкосновения со стенками обсадной колонны. Тем самым предупреждаются продольные и поперечные перемещения гидроперфоратора в стволе скважины из-за удлинения НКТ с повышением давления, вибраций при пульсации давления, создаваемых поршневыми насосами цементировочных агрегатов, и реактивных сил истечения жидкости. Это позволит создать точечный перфорационный канал. В свою очередь перфорационная жидкость направляется к насадкам, где разделяется на два потока. Поступательный поток жидкости формируется в осевых конусообразных каналах 9 вкладышей 5. Второй вращательно-поступательный поток жидкости формируется в полостях винтовых канавок 8 между вкладышами 5 и держателями 4 насадок. На выходе из насадок вращательно-поступательный поток, вначале приближаясь, а затем стремительно удаляясь от осевой вращения, создает кольцевую полость (каверну) разряжения между двумя потоками, которая периодически схлопывается, при этом генерируются пульсации давления ультразвуковой частоты. Упругие колебания разрушаемой обсадной колонны усиливают ультразвуковое поле. Одновременно отраженные струи жидкости от разрушаемой поверхности вначале напpавляются навстречу основному потоку, затем под действием центробежных сил вращательно-поступательного потока преломляются и, изменяя свое направление, удаляются от зоны разрушения пульсирующим потоком, движущимся параллельно поверхности обсадной колонны. Это позволяет в первую очередь снизить абразивное разрушение корпуса 1 и держателей 4 насадок отраженными струями, а значит максимально приблизить срез насадок к поверхности разрушения, что уже позволяет более полно использовать кинетическую энергию основного поступательного потока жидкости и ускорить образование перфорационного канала. К тому же, создание пульсирующего поступательного потока позволит повысить его дальнобойность при положительном скачке давления и улучшить условия выхода отработанной перфорационной жидкости из перфорационного канала при отрицательном скачке давления, а вместе увеличить за один и тот же период времени глубину перфорационного канала в горной породе. Кроме того, при пульсации преломленного отраженного потока, движущегося параллельно поверхности обсадной колонны, создаются условия для образования кавитационных пузырьков с парогазовой фазой, при схлопывании которых на поверхности обсадной колонны возникнут высокие местные напряжения, что приведет к кавитационной эрозии, в результате чего площадь входного сечения точечного перфорационного канала увеличится. Последнее, в свою очередь, благоприятно скажется на улучшении условий выхода отработанного потока жидкости из перфорационных грушевидных каналов за счет уменьшения местных гидравлических сопротивлений в наиболее узкой его части (в обсадной колонне). Помимо всего прочего ультразвуковые поля, создающиеся как на выходе насадок (вихревых генераторов импульсов давления), так и на поверхности обсадной колонны при истечении параллельного потока жидкости, будут накладываться друг на друга и в определенные моменты и режимы работы входить в резонансное усилие, что только повысит эффективность вихревой гидроперфорации. По истечении определенного периода времени, идущего на создание перфорационного канала, насосные агрегаты останавливают, давление в НКТ и гидроперфораторе падает. Возвратные пружины 29, 18 соответственно приподнимают глухой поршень 30 до ограничительного ввертыша 31 и задвигают шток 19 внутрь корпуса 14 гидравлического фиксатора. После этого гидроперфоратор устанавливают на новую отметку и процесс повторяется. After lowering the hydraulic perforator on tubing (tubing) to the required level, pumping units restore the circulation of perforation fluid in the well. With increasing pressure, the piston 30, compressing the spring 29, increases the pressure of the oil 27 in the chamber of the hydraulic retainer, as a result of this rod 19, compressing the springs 18, are extended to contact the walls of the casing. This prevents the longitudinal and transverse movements of the hydraulic perforator in the wellbore due to elongation of the tubing with increasing pressure, vibrations during pressure pulsations created by piston pumps of cementing units, and reactive forces of fluid outflow. This will create a point perforation channel. In turn, the perforation fluid is directed to the nozzles, where it is divided into two streams. The translational fluid flow is formed in the axial conical channels 9 of the inserts 5. The second rotational-translational fluid flow is formed in the cavities of the helical grooves 8 between the inserts 5 and the nozzle holders 4. At the outlet of the nozzles, the rotational-translational flow, first approaching, and then rapidly moving away from the axial rotation, creates an annular cavity (cavity) of rarefaction between the two flows, which periodically collapses, and pressure pulsations of ultrasonic frequency are generated. The elastic vibrations of the collapsible casing reinforce the ultrasonic field. At the same time, the reflected liquid jets from the destructible surface are initially directed towards the main flow, then they are refracted by the action of centrifugal forces of the rotational-translational flow and, changing their direction, are removed from the fracture zone by a pulsating flow moving parallel to the casing surface. This allows, first of all, to reduce the abrasive destruction of the housing 1 and holders 4 of nozzles with reflected jets, which means to maximally bring the nozzle section closer to the fracture surface, which already makes it possible to more fully use the kinetic energy of the main translational fluid flow and accelerate the formation of a perforation channel. In addition, the creation of a pulsating translational flow will increase its range with a positive pressure jump and improve the conditions for the exhausted perforation liquid to exit the perforation channel with a negative pressure jump, and at the same time increase the depth of the perforation channel in the rock. In addition, with the pulsation of the refracted reflected flow moving parallel to the surface of the casing, conditions are created for the formation of cavitation bubbles with a vapor-gas phase, when they collapse, high local stresses will arise on the surface of the casing, which will lead to cavitation erosion, resulting in an area of the input cross-section of the point perforation channel will increase. The latter, in turn, will favorably affect the improvement of the conditions for the exit of the spent fluid flow from the perforated pear-shaped channels by reducing the local hydraulic resistance in its narrowest part (in the casing). In addition, ultrasonic fields created both at the nozzle exit (vortex generators of pressure pulses) and on the surface of the casing when a parallel fluid flow expires will overlap each other and at certain times and modes of operation will enter the resonant force, which will only increase vortex hydroperforation efficiency. After a certain period of time spent on creating a perforation channel, the pumping units are stopped, the pressure in the tubing and hydroperforator drops. The return springs 29, 18 respectively raise the dead piston 30 to the restrictive screw 31 and slide the rod 19 into the housing 14 of the hydraulic retainer. After that, the hydraulic hammer is set to a new mark and the process is repeated.

Эффективность гидроперфоратора заключается в повышении долговечности и надежности его работы, как за счет снижения абразивного износа отраженными струями жидкости, так и путем улучшения условий работы его механизмов в защищенной от абразива маслонаполненной полости. Важным моментом является и то, что конструкция позволяет максимально приблизить насадки к разрушаемой поверхности, создать пульсации давления ультразвуковой частоты, способствует кавитационной эрозии обсадной колонны и обеспечивает формирование точечного канала, что в комплексе существенно ускорит процесс образования и увеличит размеры точечных перфорационных каналов. Гидроперфоратор технологичен и прост в изготовлении. The effectiveness of a hydraulic perforator is to increase the durability and reliability of its operation, both by reducing the abrasive wear by the reflected jets of liquid, and by improving the working conditions of its mechanisms in an oil-filled cavity protected from abrasion. An important point is that the design makes it possible to bring nozzles as close as possible to the surface to be destroyed, create pulsations of ultrasonic frequency pressure, promote cavitation erosion of the casing string and ensure the formation of a point channel, which together will significantly accelerate the formation process and increase the size of point perforation channels. The hydraulic perforator is technological and easy to manufacture.

Claims

HYDRO PERFORATOR, comprising a hollow body with side openings, nozzles with axial conical channels placed in the side openings, a hydraulic lock of the body with extendable elements, a plug in the lower part of the body and a piston spring-loaded relative to the body placed in the axial channel above the plug, characterized in that the nozzles made with carbide inserts in the form of a body formed from a main cone with helical grooves along the side surface and a reverse cone mated with bases, and the housing has t the piston movement limiter and under the nozzles is made with channels through the cross-section in two planes, with the sliding elements made in the form of rods spring-loaded relative to the body, placed in the through channels with the possibility of their movement in opposite directions, and plugs fixing the rods in the through channels, and the piston and plug are made deaf and form a chamber in the body cavity that is filled with oil.