Устройство для гидропескоструйной перфорации

 

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности. Обеспечивает увеличение эффективности перфорации за счет увеличения высоты и глубины полости реза. Сущность изобретения: устройство состоит из напорной трубы и нескольких перфораторов, соединенных последовательно, включающих корпус, струйные насадки, держатели насадок. Согласно изобретению ось струйной насадки каждого перфоратора направлена вверх к устью скважины так, что она составляет с осью напорной трубы угол в 45°. Корпусы перфораторов располагают так, что плоскости, проходящие через ось струйной насадки, корпус перфоратора и ось напорной трубы каждого перфоратора, начиная снизу вверх к устью скважины, образуют с аналогичной плоскостью нижнего перфоратора угол, рассчитываемый по математическому выражению. Корпус каждого перфоратора расположен на расстоянии порядка 5 мм от стенки обсадной колонны за счет эксцентричной посадки перфоратора на напорной трубе. Расстояние между перфораторами на напорной трубе определено исходя из толщины перфорируемого пласта.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может найти применение при поинтервальной перфорации продуктивного пласта, а также для увеличения притока нефти и газа в старых скважинах, ранее перфорированных кумулятивными или снарядными перфораторами.

Известно, что гидропескоструйная перфорация использует высокоскоростную струю абразивной жидкости для прорезания обсадной колонны, цементного кольца и зоны пласта, поврежденного при бурении скважины, для восстановления естественной проницаемости пласта. Возможность изменять давление, время перфорации и ряд других параметров позволяет значительно увеличить глубину проникновения в нефтяной пласт и при этом контролировать увеличение притока нефти уже во время перфорации, что является существенным преимуществом перед кумулятивной перфорацией, являющейся по существу одноразовым процессом. Однако в последние 30 лет данный вид перфорации не использовался в практике эксплуатации нефтяных скважин, хотя кроме технических возможностей гидропескоструйная перфорация обладает высокой экономической эффективностью. Кроме того, в настоящее время имеется возможность использования гибкого напорного шланга для подачи абразивной жидкости, что значительно увеличивает возможность гидропескоструйной перфорации, особенно при востановлении законсервированных ранее скважин (J.S.Cobbett Sand jet perforating revisited SPE Drill and completion 14(1) march 1999, p.28-33).

Цель предлагаемого устройства для гидропескоструйной перфорации - увеличение ее эффективности за счет увеличения высоты и глубины полости разреза.

Известен ряд технических решений для реализации преимуществ пескоструйной перфорации. Так в заявке №173677 (805498/22-3 от 29 ноября 1964 г.) Ю.Ш.Слепой и Н.П.Лесик “Гидроперфоратор”, где для повышения качества перфорирования, т.е. увеличения объема полости перфорации за счет глубины и высоты, организуется поток абразивной жидкости в самом корпусе перфоратора с помощью специальных внутренних вставок, направляющих поток к насадкам. Такое техническое решение имеет следующие недостатки: усложнение конструкции, снижение проходного сечения для абразивной жидкости, и, как следствие, повышенный износ направляющих вставок, и, кроме того, шариковый клапан жестко связан с коноидальной вставкой, что затрудняет последующую эксплуатацию перфоратора. И в конструкции перфоратора не предусмотрена фиксация положения перфоратора в рабочем положении.

Жесткая фиксация пескоструйного перфоратора в рабочем положении предусмотрена в конструкции, предложенной в авторском свидетельстве №170886 (842785/22-3 от 17 июля 1963 г.) Л.С.Мелик-Асланов и О.А.Сидоров “Гидравлический якорь - перфоратор”. В этом техническом решении перфоратор выполняет еще одну функцию: фиксирует устройство в рабочем положении за счет радиально подвижных плашек, в которых размещены насадки, но такая конструкция не обеспечивает эффективность работы струи абразивной жидкости, особенно в начальный период работы перфоратора, и при этом велика вероятность заклинивания перфоратора при его работе. Кроме того, конструкция якоря-перфоратора такова, что будет сильно изнашиваться в процессе работы корпуса плашек и их уплотнения.

В авторском свидетельстве №162079 (826895/22-3 от 25 марта 1963 г.) Ю.В.Зайцев и В.М.Каспаров “Устройство для гидропескоструйной перфорации скважин”, которое как наиболее близкое по техническому решению взято за прототип. В этом устройстве используется несколько перфораторов. Каждый перфоратор работает последовательно и для этого снабжен цилиндрическим затвором, который открывается при посадке шарового клапана, когда под действием давления абразивной жидкости срезается алюминиевая шпилька и цилиндрический затвор открывает доступ рабочей жидкости к струйным насадкам. Перфораторы устанавливаются так, что диаметры заплечников шаровых клапанов увеличиваются снизу вверх. Достоинством этого технического решения является то, что оно позволяет работать каждому перфоратору при максимальном рабочем давлении. К недостаткам следует отнести сложность конструкции и возможность нарушения последовательной работы перфораторов, т.к. они предварительно подвергаются воздействию абразивной жидкости. Кроме того, проходное сечение для абразивной жидкости уменьшается от нижнего перфоратора к верхнему. Предлагаемое устройство для пескоструйной перфорации скважин состоит из напорной трубы и нескольких перфораторов, соединенных последовательно, включающих корпус, струйные насадки, держатели насадок, отличающееся тем, что с целью увеличения высоты полости реза и ее глубины, путем организации обратного потока абразивной жидкости в полости реза и в кольцевом пространстве между напорной трубой и обсадной колонной, ось струйной насадки каждого перфоратора направлена вверх к устью скважины так, что она составляет с осью напорной трубы угол в 45°, а корпусы перфораторов расположены так, что плоскости, проходящие через ось струйной насадки, корпус перфоратора и ось напорной трубы каждого перфоратора, начиная снизу вверх к устью скважины образуют с аналогичной плоскостью первого перфоратора угол β, равный:

где n - число перфораторов;

n_i - номер перфоратора;

при этом корпус каждого перфоратора расположен на расстоянии порядка 5 мм от стенки обсадной колонны за счет эксцентричной посадки перфораторов на напорной трубе, а расстояние между перфораторами на напорной трубе определено исходя из толщины префорируемого пласта.

Таким образом, в предлагаемом решении струя абразивной жидкости направляется не перпендикулярно к стенке обсадной трубы, как это делается обычно в перфораторах, а под углом 45°. При таком расположении преграды, на которую воздействует струя силы удара Р, определяется так:

где γ - удельный вес абразивной жидкости (жидкость с песком), кгс/м³:

g - ускорение силы тяжести g=9,81 м/с²;

V_x - скорость струи в точке касания преграды, м/с.

α - угол между осью струи и плоскостью преграды.

(См., например, Шавловский С.С. Основы динамики струи при разрушении горного массива, - М. - Л.: Наука, 1979 г., стр. 124; Мелик-Асланов Л.С., Сидоров О.А. Гидропескоструйный метод перфорации скважин и вскрытие пласта. - Азнефтеиздат, 1964 г., стр. 15-21). При угле в 45° сила удара в начальный момент ослабляется примерно на треть, но это только до образования воронки, и в дальнейшем воздействие струи будет достигать максимального значения и будет ослабевать по мере отражении струи при образованию встречного потока. Если удастся уменьшить встречный поток, например затрубной утечкой жидкости или же отсосом жидкости, как это осуществляют в предлагаемом техническом решении, то производительность и объем перфоративной полости возрастет (см., например, Мелик-Асланов Л.С., Сидоров О.А. Гидропескоструйный метод перфорации скважин и вскрытие пласта. - Азнефтеиздат, 1964 г., стр. 72-74).

Далее следует отметить, что эксцентричное расположение гидроперфораторов стабилизирует положение устройства рабочем положении в скважине. Таким образом, первоначальное ослабление воздействия абразивной струи компенсируется в дальнейшем возможностью возникновения свободной циркуляции абразивной жидкости в полости с ослабленным встречным потоком за счет большей высоты реза в обсадной колонне. Кроме того, следует отметить, что при пескоструйной перфорации выполняется еще промывка скважины. И предлагаемое техническое решение хорошо приспособлено для выполнения этой дополнительной функции.

Формула изобретения

Устройство для гидропескоструйной перфорации скважин, состоящее из напорной трубы и нескольких перфораторов, соединенных последовательно, включающих корпус, струйные насадки, держатели насадок, отличающееся тем, что ось струйной насадки каждого перфоратора направлена вверх к устью скважины так, что она составляет с осью напорной трубы угол в 45°, а корпусы перфораторов располагают так, что плоскости, проходящие через ось струйной насадки, корпус перфоратора и ось напорной трубы каждого перфоратора, начиная снизу вверх к устью скважины, образуют с аналогичной плоскостью нижнего перфоратора угол β, равный

где n - число перфораторов;

n_i - номер перфоратора,

при этом корпус каждого перфоратора расположен на расстоянии порядка 5 мм от стенки обсадной колонны за счет эксцентричной посадки перфоратора на напорной трубе, а расстояние между перфораторами на напорной трубе определено, исходя из толщины перфорируемого пласта.