ГИДРОМОНИТОРНАЯ НАСАДКА ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРФОРАТОРА

Полезная модель относится к области бурения и эксплуатации нефтяных, газовых и нагнетательных скважин, а именно к устройству для вторичного вскрытия пластов путем создания продольных перфорационных щелей в обсадных (эксплуатационных) колоннах и формирования фильтрационных каналов в призабойной зоне пласта.
Из уровня техники известны устройства для щелевой перфорации обсадных колонн, основанные на использовании выдвижного накатного режущего инструмента. Такое устройство раскрыто, например, в RU 2151858 С1, 27.06.2000, RU 2180038 C1, 27.02.2002, в US 4119151 A1, 10.10.1978. Описываемые устройства отличаются в основном конструкцией механизма крепления и выдвижения режущего инструмента.
Одним из важных элементов гидромеханических щелевых перфораторов являются гидромониторные насадки, обеспечивающие эффективную и надежную работу перфоратора, основной задачей которых является обеспечение циркуляции подаваемой жидкости, разрушение цементного кольца и горной породы за эксплуатационной колонной.
Известен гидромеханический щелевой перфоратор, раскрытый в RU 2249678 C1, 10.04.2005, содержит корпус, размещенный в нем поршень-толкатель и выдвижной режущий инструмент в виде установленных на оси режущих дисков с механизмом их выдвижения, с возможностью выполнения дисками двух диаметрально расположенных щелей в колонне, при этом поршень-толкатель выполнен с центральным и двумя боковыми гидроканалами и двумя гидромониторными насадками, соединенными с боковыми гидроканалами. Входная кромка гидромониторных насадок, используемых в известном перфораторе, выполнена по прямой линии, а
естественная форма втекающей в нее струи имеет кривизну, поэтому при входе струи происходит ее сжатие, трение о кромку, что снижает ее давление на выходе. Все это снижает эффективность ее проникновения в цементный камень, увеличивая время размывки.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства можно считать гидромониторную насадку для гидромеханического скважинного перфоратора, раскрытую в RU 2230182 С1, 10.06.2004, входная кромка которой выполнена с кривизной, радиус которой равен толщине ее стенки.
Однако такой радиус захода не полностью исключает возможность вихреобразования, т.е турбулентный режим движения жидкости. В результате в насадке часто возникает эффект кавитации, что приводит к ее преждевременному разрушению.
Для эффективной работы гидромониторные насадки должны соответствовать двум основным требованиям: максимально использовать кинетическую энергию жидкости и обеспечить истечение с правильной формой струи. Достижение указанных требований и является задачей изобретения.
Технический результат, обеспеченный решением данной задачи, состоит в получении ламинарного режима движения жидкости, обеспечивающего возрастание работоспособности и надежности насадки. Кроме того, возможно обеспечение правильной формы истечения струи, поскольку коэффициент сжатия струи приближается к единице. За счет получения сверхзвуковой струи насадки обладают огромной разрушительной способностью, позволяющей значительно увеличить эффективность обработки призабойной зоны.
Для достижения указанного технического результата гидромониторная насадка для гидромеханического перфоратора имеет канал для
формирования струи, который выполнен с коническим сходящимся соплом, образующим "разгонную" камеру, соединенным с цилиндрическим участком канала насадки.
Угол захода конического сопла составляет 13°-14°. Длина "разгонной" камеры составляет 1,3-1,7 диаметра канала гидромониторной насадки.
Именно в таком сопле происходит формирование сверхзвуковой струи жидкости, преобразование потенциальной энергии сжатой жидкости в кинетическую энергию струи. По мере уменьшения диаметра внутренней полости сопла статическое давление переходит в динамическое, при этом статическое давление падает, скорость жидкости возрастает. Кинетическая энергия струи при этом настолько велика, что позволяет быстро и значительно разрушать цементное кольцо и горную породу за эксплуатационной породой.
На фиг.1 и фиг.2 схематично показаны конструкции гидромониторной насадки в соответствии с прототипом (фиг.1) и в соответствии с предлагаемым решением (фиг.2).
Показанная на фиг.1 схема насадки с очертанием входной кромки по дуге круга, когда радиус захода R=d, где d - диаметр канала насадки. Длина заходной части насадки также соответствует диаметру канала d. Подобная насадка обеспечивает коэффициент расхода, близкий к единице(μ=0,98), а коэффициент сжатия струи ε=0,680.
На фиг.2 представлена схема предлагаемой гидромониторной насадки канал которой имеет цилиндрический участок 1, соединенный с коническим сходящимся в сторону участка 1 соплом - разгонной камерой 2.
Такая конструкция насадки с углом захода сопла 13°24' и длиной разгонной камеры 2 соответствующей 1,5d обеспечивает коэффициент сжатия струи ε=0,982, при этом диаметр струи жидкости на выходе меньше диаметра цилиндрического участка 1 канала насадки (d), т.е. потери давления струи на трение резко уменьшаются, а коэффициент скорости и кинетическая энергия повышаются.
Устройство работает следующим образом.
На колонне НКТ перфоратор опускается в скважину к месту разрезки. Установив устройство в скважине, проводят прямую промывку полости труб и полости устройства от окалины и механических примесей, которые попадают в полость труб во время геофизических работ по привязке устройства к интервалу резки. Затем в полость труб опускают шарик малого диаметра, который, проходя через элементы перфоратора перекрывает центральный канал поршня-толкателя, после чего в НКТ создается рабочее давление.
При создании рабочего давления в полости труб жидкость воздействует на поршень-толкатель. Передвигаясь поступательно вдоль оси устройства, он воздействует на механизм подачи режущих элементов, например, поворачивает коромысло, между пластинами которого на осях расположены режущие диски, и выталкивает их до упора с эксплуатационной колонной.
Создавая ступенчатое давление в полости НКТ от 10 до 80 атмосфер, увеличивают силу вдавливания режущих дисков в противоположных сторонах эксплутационной колонны.
После образования щелей в эксплутационной колонне давление в полости труб поднимают, и реализуется гидромониторный эффект струи. Струи жидкости, выходящие из боковых гидроканалов через гидромониторные насадки, имеющие описанную выше конструкцию, с большой скоростью разрушают своим напором цементный камень и породу за эксплутационной колонной, намывают каверну по всей длине щелей. После намыва каверны давление в трубах сбрасывается до атмосферного. Поршень-толкатель втягивается в нижний гидроцилиндр и возвращает в исходное положение весь режущий узел в сборе. После этого в полость НКТ опускается шар большего диаметра, который садится в гнездо срезного циркуляционного клапана. Подняв давление в трубах, открывают
промывочное устройство в корпусе. После чего производят освоение, или глушение эксплуатационной скважины, или подъем устройства из нее.
Использование угла захода сопла от 13° до 14° позволяет снизить вероятность, а 13°24' - гарантированно исключить образование кавитации в насадке т.е. преобразовать турбулентный режим движения жидкости в ламинарный, при этом работоспособность и надежность насадки значительно возрастают;
Наличие «разгонной» камеры способствует сжатию струи, коэффициент сжатия приближается к единице, что способствует значительному увеличению скорости и кинетической энергии струи на выходе из насадки, а также правильной форме ее истечения;
За счет формирования сверхзвуковой струи насадки обладают огромной разрушительной способностью, позволяющей значительно увеличить эффективность обработки призабойной зоны.