ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ ПУЛЬСАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к технике гидроимпульсного воздействия на пласты в скважинах, которая применяется с целью повышения нефтеотдачи продуктивных пластов в эксплуатационных скважинах и улучшения приемистости в водонагнетательных скважинах.
Известен гидравлический скважинный пульсатор (см. книгу Гадиев С.М. "Использование вибраций в добыче нефти", М., Недра, 1977 г., с.50, рис.27). Известный гидравлический скважинный пульсатор содержит приводной узел, прерыватель потока и опорный узел. Приводной узел включает неподвижный статор и подвижный ротор. Присоединенный к нижнему концу колонны насосно-компрессорных труб статор имеет на боковой поверхности отверстия в виде продольных прорезей, выполненных наклонно по отношению к образующей цилиндрической поверхности. На статоре установлен в подшипниках опорного узла полый трубчатый ротор, также имеющий на боковой поверхности продольные прорези, наклоненные к образующей ротора в противоположном направлении по отношению к прорезям статора. В нижней части статора выполнено осевое отверстие для перепуска жидкости при нахождении ротора в "мертвом положении". При подаче промывочной жидкости в верхнюю часть пульсатора через колонну насосно-компрессорных труб (так называемая прямая промывка скважины) пара "ротор-статор" за счет противоположного направления прорезей выполняет роль гидродинамического приводного узла. Под действием потока жидкости ротор совершает вращательное движение относительно статора, при этом прорези статора периодически перекрываются внутренней поверхностью ротора, которая выполняет роль прерывателя потока. За счет перекрытия потока в жидкости возникают циклические колебания давления, которые передаются в затрубное пространство и воздействуют на пласт.
Недостатками известного устройства являются: высокая частота гидравлических пульсаций (300-500 Гц), износ элементов при воздействии высоких скоростей движения жидкости и высоких значений перепадов пульсирующего давления, ухудшение энергетических характеристик приводного узла, при этом работа известного пульсатора возможна только на технически чистых жидкостях.
Высокая частота гидравлических пульсаций (300-500 Гц), что приводит к ограниченной глубине гидроимпульсного воздействия на пласт, величина которой обратно пропорциональна корню квадратному из частоты пульсаций. Высокая частота гидравлических пульсаций определяется частотой вращения ротора приводного узла, которая при четырех прорезях в роторе и статоре составляет соответственно 75-125 оборотов в секунду. При такой высокой частоте вращения вращающий момент на роторе очень мал, что делает пульсатор весьма чувствительным к потерям на трение в опорном узле и приводит к нерегулируемому изменению частоты вращения ротора при изменении момента трения в опорах и приводном узле или к остановкам ротора. Вследствие того, что функции приводного узла и прерывателя потока выполняются одними и теми же элементами пульсатора (продольными прорезями на статоре и на роторе и внутренними стенками ротора), износ этих элементов при воздействии высоких скоростей движения жидкости и высоких значений перепадов пульсирующего давления проявляется в одновременном ухудшении энергетических характеристик приводного узла (неуправляемое снижение частоты вращения) и в снижении величины пульсаций давления, создаваемых прерывателем потока. Работа известного пульсатора возможна только на технически чистых жидкостях. При работе на жидкостях с абразивными примесями при высоких скоростях вращения происходит быстрый износ приводного узла с увеличением зазоров между ротором и статором, что приводит к нерегулируемому уменьшению величины импульсов давления, то есть к снижению эффективности воздействия на пласт, а также к снижению надежности и долговечности устройства. Внутри пульсатора имеет место существенное затухание гидравлического импульса вследствие того, что прерыватель потока, в котором создаются импульсы, размещен внутри корпуса, препятствующего прохождению импульсов давления в скважину.
Указанные недостатки частично устранены в гидравлическом скважинном пульсаторе (патент РФ №2195544 МПК Е21В 28/00, Е21В 43/16, опубл. 27.12.2002 г.), который является наиболее близким к заявляемому техническому решению и выбран в качестве прототипа.
Указанное устройство содержит приводной узел, выполненный в виде винтового героторного механизма, включающего статор и ротор, прерыватель потока, отверстие для прохода жидкости и опорный узел. Статор имеет внутренние винтовые зубья, а ротор - наружные винтовые зубья. Число зубьев ротора выполнено на единицу меньше числа зубьев статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев ротора и статора. Прерыватель потока выполнен в виде втулки и установлен на роторе, а отверстие для прохода промывочной жидкости выполнено в заглушке и расположено в зоне прерывателя потока.
При подаче промывочной жидкости в устройство ротор совершает эксцентричное планетарное вращение вокруг оси статора и вокруг собственной оси. За счет эксцентричности вращения ротора прерыватель потока приближается или удаляется от отверстия для прохода жидкости, тем самым перекрывая или открывая отверстие, благодаря чему создаются гидравлические пульсации. Перекрытие отверстия осуществляется за один оборот ротора вокруг оси статора.
∗
p
Недостатком известного устройства является высокая частота гидравлических пульсаций (F=20-50 Гц), которая зависит от числа зубьев ротора и статора и составляет F=nZ,
p
где n - число оборотов ротора вокруг своей оси, Z - число зубьев ротора.
Высокая частота гидравлических пульсаций не достаточно эффективно воздействует на пласт.
Другим недостатком известного устройства является то, что фазы закрытия и открытия отверстия для прохода жидкости прерывателем потока имеют одинаковую продолжительность по времени. При этом на забой скважины действуют две составляющие пульсаций давления: резкий скачек давления (компрессия) при открытии отверстия для прохода жидкости и резкое снижение давления (депрессия) при закрытии отверстия.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание гидравлического скважинного пульсатора с более низкой частотой пульсаций давления жидкости, который позволяет воздействовать на забой скважины только одной составляющей пульсацией давления компрессией или депрессией.
Технический результат достигается тем, что в гидравлическом скважинном пульсаторе, содержащем приводной узел, выполненный в виде винтового героторного механизма, статор которого имеет внутренние винтовые зубья, ротор содержит наружные винтовые зубья для взаимодействия с внутренними винтовыми зубьями статора, число которых на единицу больше числа зубьев ротора, опорный узел, содержащий прерыватель потока, отверстие для прохода промывочной жидкости, согласно полезной модели, опорный узел содержит вал с закрепленным на нем прерывателем потока и соединенный с ротором, а рабочая поверхность прерывателя потока выполнена с переменной кривизной.
Кроме того, рабочая поверхность прерывателя потока выполнена с убывающим радиусом по сравнению с начальным максимальным радиусом.
Кроме того, начальный максимальный радиус рабочей поверхности прерывателя потока выполнен на участке окружности, не меньшем размера отверстия для прохода промывочной жидкости.
p
p
В отличие от прототипа, опорный узел содержит вал с закрепленным на нем прерывателем потока и соединенный с ротором, при этом достигается то, что частота закрытия отверстия для прохода жидкости будет происходить в Z раз реже, так как осуществляется за один полный оборот ротора вокруг своей оси, а не вокруг оси статора. При этом частота пульсаций давления при работе предлагаемого устройства будет в Z раз меньше прототипа.
F=n, где n - число оборотов ротора вокруг своей оси.
В отличие от прототипа, рабочая поверхность прерывателя потока выполнена с переменной кривизной, при этом достигается то, что фазы открытия и закрытия отверстия для прохода жидкости прерывателем потока различны по времени, что способствует воздействию на забой скважины только одной из фаз, например, компрессией или депрессией.
Выполнение полезной модели с указанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет получить гидравлический скважинный пульсатор с более низкой частотой пульсаций давления жидкости, который будет воздействовать на забой скважины только одной составляющей пульсацией давления - компрессией или депрессией.
Кроме того, выполнение радиуса поверхности прерывателя потока убывающим позволяет одну из фаз открытия или закрытия отверстия для прохода жидкости выполнить плавной и больше по времени по отношению к другой фазе, например, при плавном открытии отверстия для прохода жидкости резкого скачка давления (компрессии) на забое скважины не произойдет.
Кроме того, выполнение начального максимального радиуса постоянным на участке окружности, не меньшем размера отверстия для прохода промывочной жидкости обеспечивает полное перекрытие отверстия для прохода жидкости.
На фиг.1 показан общий вид гидравлического скважинного пульсатора в продольном разрезе.
На фиг.2 показан поперечный разрез гидравлического скважинного пульсатора в увеличенном масштабе в месте расположения прерывателя потока (сечение А-А на фиг.1) в момент закрытия отверстия для прохода промывочной жидкости.
На фиг.3 показан поперечный разрез гидравлического скважинного пульсатора в увеличенном масштабе в месте расположения прерывателя потока (сечение А-А на фиг.1) в момент открытия отверстия для прохода промывочной жидкости.
На фиг.4 показан поперечный разрез гидравлического скважинного пульсатора в увеличенном масштабе в месте расположения прерывателя потока (сечение А-А на фиг.1) при перевернутом расположении прерывателя потока 12.
Гидравлический скважинный пульсатор содержит приводной узел, выполненный в виде винтового героторного механизма, состоящий из статора 1 и ротора 2. Статор 1 имеет внутренние винтовые зубья 3, а ротор 2 содержит наружные винтовые зубья 4 для взаимодействия с внутренними винтовыми зубьями 3 статора 1. К верхней части статора 1 присоединяются бурильные трубы (на фигурах не показаны). К нижней части статора 1, например через переводник 5, присоединен опорный узел 6. Опорный узел 6 содержит вал 7, установленный, например, в подшипниках 8 и 9. Вал 7 содержит центральный канал Б и боковые отверстия 10 и 11 для прохода промывочной жидкости. На валу 7 закреплен прерыватель потока 12 при помощи, например, сварки. Вал 7 соединен с ротором 2 при помощи, например, гибкого вала 13. Опорный узел 6 содержит отверстие для прохода промывочной жидкости 14 в затрубное пространство В между корпусом гидропульсатора и стенками скважины 15. Рабочая поверхность Г прерывателя потока 12 выполнена с переменной кривизной.
0
Кроме того, рабочая поверхность Г прерывателя потока 12 выполнена с убывающим радиусом R по сравнению с начальным максимальным радиусом R.
0
Кроме, того, начальный максимальный радиус R рабочей поверхности прерывателя потока 12 выполнен на участке Д окружности (Фиг.2). Участок Д окружности прерывателя потока 12 не меньше размера Е отверстия для прохода промывочной жидкости 14. Зазор Ж между внутренней поверхностью И опорного узла 6 и рабочей поверхностью Г прерывателя потока 12 на участке Д окружности служит для прохода жидкости через отверстие для прохода промывочной жидкости 14 для исключения остановки ротора 2 во время закрытия отверстия для прохода промывочной жидкости 14 прерывателем потока 12.
p
Гидравлический скважинный пульсатор работает следующим образом. При промывке скважины рабочая жидкость подается с поверхности по колонне труб в верхнюю часть устройства и приводит во вращение ротор 2, который наружными винтовыми зубьями 4 обкатывается по внутренним винтовым зубьям 3 статора 1, совершая планетарное движение. При этом ось ротора 2 вращается относительно оси статора 1, а сам ротор 2 вращается относительно своей оси с пониженной в Z раз угловой скоростью и через гибкий вал 13 приводит во вращение вал 7 опорного устройства 6, на котором закреплен прерыватель потока 12.
Пройдя через боковые отверстия 10, центральный канал Б и боковые отверстия 11 вала 7, жидкость попадает в нижнюю часть опорного устройства 6 и выходит из опорного устройства 6 через отверстие для прохода промывочной жидкости 14. Отверстие для прохода промывочной жидкости 14 периодически (один раз за каждый оборот ротора 2) перекрывается рабочей поверхностью Г прерывателя потока 12.
д
Во время закрытия отверстия для прохода промывочной жидкости 14 для прохода жидкости рабочей поверхностью Г прерывателя потока 12 (фиг. 2) в затрубном пространстве В создается скачек понижения давления Р (депрессия).
д
3
Р=2ρV1/t,
3
где ρ - плотность жидкости; V - скорость течения жидкости в скважине до закрытия отверстия; 1 - длина потока жидкости от пульсатора до поверхности скважины; t - время закрытия отверстия для прохода жидкости 14.
д
За счет депрессии (Р) во время закрытия отверстия для прохода промывочной жидкости 14 часть закупоренных капилляров скважины очищается от шлама, который выносится потоком жидкости на поверхность.
Благодаря выполнению поверхности Г прерывателя потока 12 переменной кривизны, радиус R которой выполнен убывающим, открытие отверстия для прохода промывочной жидкости 14 прерывателем потока 12 происходит плавно (фиг.3), при этом резкого скачка давления (компрессии) в скважине не происходит, следовательно воздействие на забой скважины осуществляется только депрессией при резком закрытии отверстия для прохода промывочной жидкости 14 для прохода жидкости.
При закреплении прерывателя потока 12 как показано на фиг.4 пульсации давления происходят в обратной последовательности: отверстие 14 резко открывается, создавая импульс давления в затрубном пространстве В и плавно закрывается, не вызывая депрессию.
0
Кроме того, рабочая поверхность Г прерывателя потока 12 на участке Д окружности выполнена с начальным максимальным радиусом R и длина ее не меньше размера Е отверстия для прохода промывочной жидкости 14, при этом происходит полное перекрытие отверстия для прохода промывочной жидкости 14 прерывателем потока 12.
Таким образом, предлагаемая полезная модель гидравлического скважинного пульсатора позволяет воздействовать на пласт одной составляющей давления - депрессией или компрессией.