Устройство для перфорации скважин

 

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а именно к устройствам для перфорации обсадных труб в скважине, а также к оборудованию для вскрытия продуктивных пластов. Обеспечивает повышение эффективности работы устройства за счет предотвращения осаждения конденсированной фазы продуктов сгорания на стенке соплового блока. Сущность изобретения: устройство включает корпус и сопловой блок. Внутри корпуса размещен источник рабочего тела в виде набора зарядов твердого топлива с различными абразивными частицами. Сопловой блок представлен соплами в количестве не менее трех в одном горизонтальном сечении. Он содержит конусообразный рассекатель продуктов сгорания, выполненный из термостойкого материала, например стали. Диаметр основания рассекателя равен диаметру соплового блока. Рассекатель расположен на стенке соплового блока параллельно поверхности горения зарядов твердого топлива. Высота рассекателя подбирается из соотношения 0,3&λτ; H/D_r&λτ; 0,35, где Н – высота конусообразного рассекателя, D_r - диаметр соплового блока. 2ил., 1 табл.

Изобретение относится к области разработок, применяемых в нефтяной и газовой промышленности, а именно к устройствам для перфорации обсадных труб в скважине, а также к оборудованию для вскрытия продуктивных пластов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является перфоратор, работа которого основана на воздействии на материалы высокотемпературной сверхскоростной струи продуктов сгорания твердого топлива, содержащего окислы металлов /1/. Высокотемпературная сверхскоростная гетерогенная струя продуктов сгорания, проходя через сопловой блок, воздействует на стенки обсадной трубы, затрубный цементный камень и породу /2, 3/. Эффективность работы перфоратора зависит от содержания абразивных частиц в струе продуктов сгорания. Параметры устройства (диаметр и вес рабочего тела) ограничиваются размерами обсадной трубы (ее диаметром), а следовательно, к конструкции устройства для обеспечения максимальной эффективности работы предъявляются определенные требования. Так, вследствие ограниченного размерами обсадной трубы внешнего диаметра устройства сопла соплового блока расположены в горизонтальном сечении на образующей боковой поверхности соплового блока, при этом оси сопел перпендикулярны оси рабочего тела.

Основным недостатком устройства /1/ является то, что при подобной компоновке элементов устройства, когда оси сопел перпендикулярны оси рабочего тела, часть твердых продуктов сгорания, движущихся от горящей поверхности к соплам, оседает на стенке соплового блока, расположенной параллельно горящей поверхности топлива. Вследствие этого по сделанным экспериментально оценкам струя газообразных продуктов сгорания при выходе из сопла содержит на 20-25 вес.% меньше конденсированной фазы по сравнению с количеством конденсированной фазы, образующейся в результате горения твердого топлива. Это снижает эффективность работы данного устройства вследствие снижения скорости перфорации /4/ при уменьшении содержания в воздействующей на материал гетерогенной струе абразивных частиц.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы устройства, достигаемой предотвращением осаждения конденсированной фазы продуктов сгорания на стенке соплового блока.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, включающем корпус, внутри которого размещен источник рабочего тела в виде набора зарядов твердого топлива с различными абразивными частицами, и сопловой блок с соплами в количестве не менее трех в одном горизонтальном сечении, на стенке соплового блока, расположенной параллельно поверхности горения зарядов твердого топлива, размещен конусообразный рассекатель продуктов сгорания.

Конусообразный рассекатель выполнен из термостойкого материала, например нержавеющей стали. Диаметр основания конуса определяется диаметром соплового блока. Отношение высоты конуса к диаметру соплового блока (или диаметру рассекателя) находится в пределах 0,3<H/D&λτ; 0,35, где Н – высота конусообразного рассекателя, D_r - диаметр соплового блока.

Применение конусообразного рассекателя практически предотвращает процесс осаждения твердых продуктов сгорания на стенке соплового блока, а следовательно, повышает содержание абразивных частиц в воздействующей на материал гетерогенной струе до значений, соответствующих количеству абразивных частиц, образующихся в результате горения твердого топлива, что увеличивает эффективность работы устройства на 20-25%.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема конструкции устройства; на фиг.2 - его разрез.

Устройство (фиг.1) представляет собой цилиндрический корпус 1 с источником рабочего тела 2 в виде набора зарядов твердого топлива с различными абразивными частицами, выполненным в виде цилиндра 3, бронированного по боковой поверхности и торцу, обращенному к корпусу устройства; соплового блока 4, размещенного со стороны небронированного торца рабочего тела. На стенке 5 соплового блока, расположенной параллельно горящей поверхности твердого топлива и перпендикулярно направлению истечения продуктов сгорания от поверхности горения 6, устанавливается конусообразный рассекатель газообразных продуктов сгорания 7. Воспламенитель 8 включает в себя штатный порох и стандартный электрокапсюльный воспламенитель. Сопла соплового блока герметично заглушены пробками 9, выполненными из стандартного (штатного) твердого топлива.

Устройство работает следующим образом. Воспламенителем 8 производится поджиг источника рабочего тела 2 - твердого топлива. При сгорании зарядов твердого топлива газообразные продукты, содержащие частицы металла и их окислы, движутся от поверхности горения 6 топлива к соплам 4. Так как сопла 4 устройства в силу заданных параметров расположены таким образом, что ось их симметрии параллельна поверхности горения 6 рабочего тела, то гетерогенный поток, достигая вершины конуса рассекателя 7, плавно обтекает его поверхность практически без снижения скорости потока. Как следствие этого не происходит осаждения конденсированных продуктов сгорания на стенку сопла 4 при движении их к выходным частям сопел. А следовательно, концентрация частиц металла и их окислов в гетерогенной струе практически не меняется по сравнению с концентрацией конденсированной фазы, образующейся в результате горения зарядов твердого топлива, что приводит согласно результатам работы /4/ к повышению эффективности работы устройства.

Экспериментально определено отношение высоты конуса Н к диаметру конусообразного рассекателя D_r (равного внутреннему диаметру основания соплового блока), находящееся в пределах 0,3&λτ; Н/D_r&λτ; 0,35. При отношении высоты конуса к диаметру конусообразного рассекателя большем 0,35 высокоскоростная гетерогенная струя, обтекая конус, воздействует на сопловой блок с осаждением на его стенках вблизи основания конуса частиц металла гетерогенной струи. При отношении высоты конуса к диаметру рассекателя меньшем 0,3 частицы металла осаждаются на его поверхности. В обоих случаях концентрация конденсированных частиц в струе продуктов сгорания уменьшается по сравнению с концентрацией конденсированной фазы, образующейся в результате горения твердого тела, что снижает скорость и глубину перфорации /4/.

Отработка предлагаемого устройства проведена на стенде, моделирующем обсадную колонну, затрубный камень и породу при атмосферном давлении.

Критерием эффективности устройства служит величина (объем) отверстий, образованных при воздействии гетерогенной струей продуктов сгорания на стальные пластины, помещенные на расстоянии 10-15· 10^-3 м от сопла.

В экспериментах в качестве моделей фрагмента обсадных труб использовались пакеты стальных пластин размером 130× 45× 20 мм. Результаты измерений приведены в таблице для пакета, состоящего из двух пластин. Объем образовавшегося кратера определяли по объему пластилинового слепка кратера с точностью 10%.

Следовательно, эффективность предлагаемого устройства повышается на 20-25%.

Конусообразный рассекатель продуктов сгорания твердого топлива прост в изготовлении, является съемной и легко заменяемой деталью и может быть установлен в устройства по прототипу без дополнительных доработок конструкции.

Литература

1. Патент РФ 2057910. Устройство для перфорации скважин / Абалтусов В.Е., Полежаев Ю.В., Михатулин Д.С., Немова Т.Н., Алексеенко Н.Н., Зима В.П., Рыбасова Н.Л. - Приоритет от 09.09.93.

2. Патент РФ 2042483. Устройство для газовой резки твердых материалов / Абалтусов В.Е., Немова Т.Н., Алексеенко Н.Н., Иванова Т.М. - Приоритет от 06.10.93.

3. Абалтусов В.Е., Кузнецов Г.В., Немова Т.Н. Механизм высокотемпературного разрушения металлов под действием гетерогенной струи с высокой концентрацией частиц // Теплофизика высоких температур. 1999. T.37.N 3. С. 438-444.

4. Абалтусов В.Е., Кузнецов Г.В., Немова Т.Н. Высокотемпературное разрушение материалов при взаимодействии с гетерогенной струей. Труды Второй национальной конференции по теплообмену. Москва. 1998. Т.6. С. 229-232.

Формула изобретения

Устройство для перфорации скважин, включающее корпус, внутри которого размещен источник рабочего тела в виде набора зарядов твердого топлива с различными абразивными частицами и сопловой блок с соплами в количестве не менее 3 в одном горизонтальном сечении, отличающееся тем, что сопловой блок содержит конусообразный рассекатель продуктов сгорания, выполненный из термостойкого материала, например стали, с диаметром основания, равным диаметру соплового блока, и расположенный на стенке соплового блока параллельно поверхности горения зарядов твердого топлива, причем высота рассекателя подобрана из следующего соотношения:

0,3&λτ; H/D_r&λτ; 0,35,

где Н – высота конусообразного рассекателя;

D_r - диаметр соплового блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2