ЗАБОЙНЫЙ ПУЛЬСАТОР
DOWNHOLE PULSATOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для увеличения продуктивных пластов скважин.
Известен забойный пульсатор давления (I) (см. а.с.№939.737 Мкл. Е21В 43/25, опубл. 30.06.82 г., бюл. №24).
Устройство состоит из цилиндрического корпуса с подпружиненным клапаном, снабженным опорными выступами. Между корпусом и штоком подвижно установлена втулка со штифтом. Наружная поверхность штока выполнена с пазами под штифты втулки, внутренняя поверхность которой выполнена с выступами для взаимодействия с опорными выступами клапана. Цилиндрический корпус через верхний переводник связан с лифтовой колонной труб.
Недостатки конструкции:
- работа пульсатора ведется при малом перепаде давления и напрямую зависит от площади клапана, воспринимающего этот перепад, и усилия пружины, удерживающей клапан в закрытом положении. Резкого изменения перепада давления получить невозможно;
- устройство может быть приведено в рабочее состояние путем перемещения лифтовой колонны труб при непосредственном контакте соединительного переводника с забоем скважины;
- возможность пропуска пластовой жидкости через устройство без наложения на поток гидродинамических импульсов имеет ограничения по расходу, поскольку площадь кольцевого зазора мала и является препятствием для потока при больших дебитах скважин.
Известен гидравлический вибратор (см. а.с.№1.573.147 Мкл, Е21В 43/25, опубл. 23.06.90 г., бюл. №23).
Изобретение может быть использовано для гидравлической и вибрационной обработки скважин. Устройство содержит корпус, с генератором гидравлических импульсов, выполненным в виде ствола и самовращающегося шибера с подпружиненным поршнем. Ствол и самовращающийся шибер установлены в корпусе осесимметрично.
Корпус выполнен перфорированным в области выходных каналов шибера. Поршень снабжен лопастью, расположенной за пределами корпуса, и установлен в корпусе с возможностью его возврата в исходное положение.
Работа устройства.
При прокачке жидкости происходит вращение шибера, что приводит к периодическому перекрытию потока жидкости, истекающего из ствола, что приводит к созданию гидравлических ударов, которые воздействуют на подпружиненный поршень, связанный с лопастью. Это приводит к созданию стоячих волн. По мнению авторов, в скважине образуются поперечные гидродинамические импульсы, от действия гидроудара на стенки скважины с возбуждением местных гидродинамических вибрационных колебаний за счет периодического истечения жидкости через перфорации.
Частота гидродинамических импульсов определяется числом оборотов шибера и количеством каналов в нем.
Интенсивность импульсов определяется расходом протекающей жидкости.
Проблематично обеспечить возвратно-поступательное перемещение подпружиненного поршня с лопастями, поскольку при высокой частоте импульсов давления, воздействующих на поршень, нельзя изменить положение поршня, из-за инерционности системы. Поршень с лопастями в лучшем случае будет дрожать с малой амплитудой без генерации стоячих волн.
Мощность гидравлических импульсов мала и их распространение влубь продуктивного пласта для его обработки не может быть эффективным.
После проведения обработки пласта его освоение и запуск скважины в работу осуществить сложно. Необходимо поднять устройство из скважины на поверхность.
Известно устройство гидроимпульсного воздействия на пласт (см. пат. РФ №2.147.336, Мкл. Е21В 43/25, опубл. 10.04.2000, бюл. №10), принятый авторами за прототип. Устройство входит в состав колонны насосно-компрессорных труб и состоит из имплозийной камеры с концентраторами давления, плунжера с приводом в камере. Устройство снабжено верхним и нижним переводниками и отводными каналами.
Плунжер имеет прорезные отверстия, радиальный канал и распределительный механизм, состоящий из подпружиненного толкателя с кольцевой проточкой, седла и подпружиненного запорного элемента с дросселирующим отверстием, образующим с плунжером переходную полость. Привод плунжера выполнен в виде гидроцилиндра с полым штоком, на котором закреплен поршень с реверсивным переключателем.
Гидроцилиндр расположен между верхним и нижним переводником. Шток установлен в переводниках с возможностью осевого перемещения, нижний конец штока закреплен в плунжере, а верхний расположен в осевом канале насосно-компрессорных труб.
Работа устройства.
С устья скважины подают под давлением рабочую жидкость, которая попадает в полость штока и через каналы реверсивного переключателя поступает в нижнюю полость гидроцилиндра, откуда по дросселирующему отверстию подается в полость запорного элемента. При этом затрубная жидкость по отводящим каналам заполняет верхнюю полость гидроцилиндра и верхнюю полость имплозийной камеры. При расчетном давлении рабочей жидкости поршень перемещается вверх вместе со штоком и плунжером с образованием между плунжером и подпружиненным клапаном зоны низкого давления.
При перемещении поршня вверх нижняя полость гидроцилиндра заполняется скважинной жидкостью с освобождением верхней полости имплозийной камеры и верхней гидроцилиндра от затрубной жидкости по отводным каналам переводников.
Недостаток конструкции:
- поскольку процесс подачи рабочей жидкости с поверхности носит непрерывный характер, то при смещении золотника в плунжере, на первом этапе, приводит к изоляции осевого канала штока от подачи рабочей жидкости в имплозийную камеру.
Это приводит к росту давления в осевом канале лифтовой колонны труб с воздействием на площадь поперечного сечения штока сверху. Переток скважинной жидкости под поршень через золотник не может привести к его перемещению вниз, поскольку существует равенство давлений над и под поршнем, т.е. устройство обладает низкой надежностью.
Вызывает сомнение в работоспособности устройства также то,что когда происходит срабатывание золотника в плунжере за счет его торцового взаимодействия с переводником, а затем при дальнейшем перемещении поршня происходит переключение золотника в поршне за счет торцового взаимодействия последнего с верхним переводником. Синхронизировать последовательность срабатывания золотников и ходы перемещений плунжера более чем проблематично.
Если считать, что устройство является работоспособным, то по окончанию процесса гидродинамического воздействия на пласт-коллектор необходимо провести работы, связанные с освоением и запуском в эксплуатацию скважины. Для этого необходимо извлечь устройство на поверхность, что требует достаточно больших затрат рабочего времени.
В процессе спуска устройства в скважину необходимо осуществлять подлив рабочей жидкости в осевой канал лифтовой колонны труб.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- это возможность генерации гидроударных импульсов при больших перепадах давления с максимальным расходом рабочей жидкости, подаваемой в пласт;
- многократность повторения процесса генерации гидроударных импульсов;
- возможность заполнения лифтовой колонны труб пластовой жидкостью при спуске устройства в скважину;
- возможность освоения и запуска скважины после гидродинамического воздействия без подъема лифтовой колонны труб с устройством на поверхность;
- возможность обеспечения максимальных расходов пластовой жидкости и газа, через устройство за счет увеличения сечения проходного канала путем извлечения толкателя тросовой или колтюбинговой техникой без глушения скважины.
Конструкция забойного пульсатора поясняется чертежами, где:
- фигура 1 - конструкция устройства в разрезе, в исходном транспортном положении деталей;
- фигура 2 - конструкция устройства в положении деталей при подаче под давлением рабочей жидкости в лифтовую колонну труб и осевой канал устройства в момент создания гидродинамической связи с полостью скважины, его внутренней полости;
- фигура 3 - взаимное положение деталей устройства при максимальной подаче рабочей жидкости в скважину с генерацией гидроударных импульсов в интервале продуктивного пласта;
- фигура 4 - конструкция устройства в положении деталей при освоении и запуске скважины в эксплуатацию.
Забойный пульсатор состоит из гидроцилиндра 1, связанного с камерой 2, осевой канал 3 гидроцилиндра 1 сверху перекрыт переводником 4.
Внутри осевого канала 3 гидроцилиндра 1 установлен плунжер 5 с кольцевым поршнем 6, образующим подвижное соединение с гидроцилиндром 1. Полость 7 над кольцевым поршнем 6 связана перепускными отверстиями 8 с внешней средой (затрубным пространством).
Между гидроцилиндром 1 и плунжером 5 образован кольцевой зазор 9, который связан радиальными отверстиями 10 с осевым каналом 11 плунжера 5.
Камера 2 снабжена посадочным кольцом 12, в котором по периметру выполнены продольные пазы 13, гидравлически соединяющие осевой канал 3 гидроцилиндра 1 с осевым каналом 14 камеры 2. Снизу в осевом канале 14 камеры 2 установлено упорное кольцо 15, через которое пропущен полый шток 16, снабженный торцовым клапаном 17, поджимаемый пружиной 18 к торцу посадочного кольца 12. Плунжер 5 снабжен внутренним выступом 19, на который опирается наружным выступом 20 толкатель 21, нижний конец которого пропущен через осевой канал посадочного кольца 12 с образованием с ним подвижного соединения. На нижнем конце толкателя 21 установлено стопорное кольцо 22, свободно входящее внутрь расточки 23 в теле торцового клапана 13 и связанное с толкателем 21 срезным элементом 24.
В осевом канале 25 толкателя 21 закреплено седло 26 с шаровым клапаном 27. Вверху, в осевом канале 25 толкателя 21 выполнена кольцевая проточка 28.
Плунжер 5 опирается на пружину 29.
Кольцевой зазор между посадочным кольцом 12 и толкателем 21 перекрыт уплотнительным кольцом 30.
Кольцевой зазор между упорным кольцом 15 и полым штоком 16 перекрыт уплотнителем 31, на нижнем конце полого штока 16 установлена гайка 32.
Площадь кольцевого поршня 6 определена из условия:
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>k</mi><mo>.</mo><mi>п</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>т</mi><mo>.</mo><mi>k</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>Q</mi><mi>п</mi><msub><mi>р</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Q</mi><mi>п</mi><msub><mi>р</mi><mn>2</mn></msub><mo><</mo><msub><mi>F</mi><mi>т</mi></msub><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow>
2
;
где: Fk.п - площадь кольцевого поршня, м
2
;
Fт.k - площадь сечения толкателя, м
1
Qпр - усилие пружины, поджимаемой плунжером, КН;
2
Qпр - усилие пружины, поджимаемой торцовым клапаном к посадочному кольцу, КН;
ΔР - давление рабочей жидкости, подаваемой в осевой канал 11 плунжера 5, МПа.
Работа забойного пульсатора
Переводником 4 устройство подсоединяется к лифтовой колонне труб и вводится в скважину с расположением в интервале продуктивного пласта.
В лифтовую колонну труб осуществляют подачу под давлением рабочую жидкость. Давление рабочей жидкости воздействует на площадь кольцевого поршня 6 с поджимом его к торцовой поверхности переводника 4.
Давление рабочей жидкости также воздействует на площадь торцового клапана 17 с его поджимом к торцу посадочного кольца 12.
Давление рабочей жидкости также воздействует на площадь поперечного сечения толкателя 21, который перемещается со стопорным кольцом 22, с воздействием наружным выступом 20 на внутренний кольцевой выступ 19 плунжера 5 и его перемещением в сторону посадочного кольца 12,
При расчетном перепаде давления толкатель 21 перемещает полый шток 16. с отрывом торцового клапана 17 от посадочного кольца 12 с образованием гидравлической связи осевого канала 14 и камеры 2 с осевым каналом полого штока 16. Давление рабочей жидкости воздействует на площадь торцового клапана 17 сверху, что приводит к еще большему перемещению вниз полого штока 16 с пропуском под большим давлением расхода рабочей жидкости в осевой капал полого штока 16 с подачей в осевой канал скважины и гидроударным воздействием на продуктивный пласт-коллектор.
Одновременно при выравнивании давления в осевом канале 11 плунжера 2 и осевом канале полого штока 16, толкатель 21 усилием сжатой пружины 29 возвращается в исходное положение вместе с плунжером 5. При выравнивании давления между осевым каналом 14 камеры 2 и осевым каналом полого штока 16, усилием предварительно сжатой пружины 18 полый шток 16 вместе с торцовым клапаном 17 возвращается в исходное положение с посадкой торцового клапана 17 на посадочное кольцо 12, с прекращением гидравлической связи осевого канала 3 гидроцилиндра 1 с осевым каналом полого штока 16. Вновь поднимают давление в колонне с соответствующим набором давления в осевом канале 11 плунжера 5 с повторением процесса генерации гидроударных импульсов в скважине.
После проведения операции по гидроударному воздействию на продуктивный пласт-коллектор, без подъема лифтовой колонны труб с устройством на поверхность, осуществляют вызов притока и освоении скважины. Пластовая жидкость или газ подаются в осевой канал полого штока 16 и далее с отжимом шарового клапана 27 от седла 26 подается к осевой капал 25 толкателя 21 и осевой канал 11 плунжера 5.
При высоком дебите скважины для снижения гидравлического сопротивления из устройства может быть извлечен толкатель 21 путем спуска в осевой канал лифтовой колонны труб ловителя известной конструкции с вводом его в кольцевую проточку 28.
Натяжением вверх толкателя 21 разрушают срезной элемент 24 и извлекают толкатель 21 на поверхность.
Стопорное кольцо 22 размещается в расточке 23 и не препятствует потоку добываемого флюида.
Устройство для гидроударного воздействия на пласт в составе колонны насосно-компрессорных труб, включающее гидроцилиндр с переходником, плунжер с радиальными отверстиями, подпружиненный толкатель с кольцевой проточкой, кольцевой поршень, отличающееся тем, что гидроцилиндр жестко связан с камерой, в осевом канале которой установлено посадочное кольцо с продольными пазами с внешней стороны, толкатель снабжен наружным выступом, седлом и шаровым клапаном в осевом канале, нижний конец толкателя пропущен в осевой канал посадочного кольца и снабжен стопорным кольцом, связанным с толкателем срезным элементом, осевой канал камеры перекрыт снизу упорным кольцом и снабжен полым штоком с торцовым клапаном, поджимаемым пружиной к посадочному кольцу, причем в теле торцового клапана выполнена расточка, в которой свободно установлено стопорное кольцо, а плунжер снабжен кольцевым поршнем с образованием кольцевого зазора с гидроцилиндром, гидравлически связанным перепускными отверстиями с затрубным пространством.