УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ
DEVICE FOR PULSE ACTION ON RESERVOIR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при разработке нефтяных залежей для импульсного воздействия на призабойную зону скважины с целью повышения нефтеотдачи пласта.
8
Известно устройство для импульсной закачки жидкости в пласт (патент на изобретение RU №2400615, МПК E21B 43/18, опубл. в бюл. №27 от 27.09.2010 г. ), включающее корпус, концентрично расположенный в корпусе патрубок с центральным каналом, окнами и гайкой, жестко соединенный с переводником, пружину, полый цилиндрический клапан, оснащенный внутренней заглушкой и боковыми сквозными отверстиями, а вверху - кольцевым выступом, выполненным с возможностью ограниченного герметичного перемещения вниз относительно внутренней цилиндрической выборки, при этом полый цилиндрический клапан жестко снизу присоединен к патрубку, который вставлен в корпус с возможностью продольного герметичного перемещения, причем гайка установлена на наружной поверхности патрубка между корпусом и переводником, при этом пружина установлена между гайкой и корпусом, внутренняя цилиндрическая выборка выполнена в корпусе, ниже которой в корпусе, оснащенном радиальными каналами, выполнена нижняя цилиндрическая выборка, а отверстия полого цилиндрического клапана выполнены в два ряда по высоте, между которыми установлена внутренняя заглушка, причем полость внутренней цилиндрической выборки корпуса над выступом сообщена окнами с центральным каналом, в которой выше окон размещено технологическое сужение, а полость внутренней цилиндрической выборки под выступом сообщена радиальными каналами с пространством снаружи корпуса, нижняя цилиндрическая выборка которого выполнена с возможностью сообщения с нижним рядом сквозных отверстий полого цилиндрического клапана, а при его перемещении вниз относительно корпуса - с верхним и нижним рядами сквозных отверстий полого цилиндрического клапана одновременно, при этом площадь проходного сечения сужения центрального канала не превосходит суммарную площадь проходных сечений верхнего или нижнего ряда сквозных отверстий.
Недостатками данного устройства являются:
во-первых, в процессе работы устройства корпус циклически перемещается относительно полого цилиндрического клапана с той же частотой и амплитудой, при которой происходит импульсная закачка жидкости в пласт, поэтому работа устройства в наклонных и горизонтальных скважинах не возможна вследствие того, что корпус будет взаимодействовать с внутренними стенками скважины;
- во-вторых, импульсная закачка жидкости происходит через ряды радиальных отверстий, соединенных между собой нижней цилиндрической выборкой при их сообщении между собой, поэтому их пропускная способность ограничена диаметром нижней цилиндрической выборки, выполненной в корпусе устройства, в связи с чем импульсная закачка жидкости происходит с ограниченным расходом обычно до 2 л/с и производится малопроизводительным насосным агрегатом, что ограничивает его область применения и не позволяет применять данное устройство для импульсного воздействия на пласт;
- в-третьих, низкая надежность работы устройства, связанная с отсутствием ограничителя пружины при ее сжатии, что при создании знакопеременной нагрузки приводит к поломке пружины;
- в-третьих, нестабильное создание импульсов из-за малой площади поперечного сечения кольцевого выступа цилиндрического клапана, причем для создания импульсов необходимо создавать высокие давления, что приводит к периодическому «задавливанию» кольцевого выступа цилиндрического клапана в нижний торец внутренней цилиндрической выборки корпуса, при этом возвратной силы пружины не достаточно вследствие высокого давления для возвращения кольцевого выступа цилиндрического клапана в начальное положение, в связи с чем цилиндрический клапан периодически «залипает» в нижнем положении и импульсный поток жидкости переходит в постоянный поток;
- в-четвертых, дополнительные затраты на подготовку устройства к работе. Это обусловлено тем, что после спуска устройства в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) их необходимо заполнить жидкостью с устья скважины самотеком с целью стравливания воздуха из колонны НКТ на устье скважины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для импульсной закачки жидкости в пласт, включающий корпус (патент на изобретение RU №2531954, МПК E21B 43/18, опубл. в бюл. №30 от 27.10.2014 г.), концентрично расположенный в корпусе патрубок с центральным каналом, окнами и гайкой, пружину, причем гайка установлена на наружной поверхности патрубка в ее верхней части, а пружина установлена между гайкой и корпусом, в котором выполнена внутренняя цилиндрическая выборка, в нижней части внутренней цилиндрической выборки корпуса выполнены радиальные каналы, при этом снизу к патрубку, вставленному в корпус, жестко присоединен полый цилиндрический клапан, оснащенный кольцевым выступом сверху с возможностью ограниченного герметичного перемещения вниз относительно внутренней цилиндрической выборки корпуса, причем полость внутренней цилиндрической выборки корпуса над кольцевым выступом цилиндрического клапана сообщена окнами с центральным каналом, а полость внутренней цилиндрической выборки под выступом сообщена радиальными каналами с пространством снаружи корпуса, сменную втулку и жесткий центратор со сбивным клапаном, размещенный на верхнем конце патрубка, отличающееся тем, что полый цилиндрический клапан ниже внутренней цилиндрической выборки корпуса оснащен радиальными окнами, а ниже радиальных окон в полом цилиндрическом клапане выполнены радиальные отверстия, герметично перекрытые изнутри сменной втулкой, причем сверху сменная втулка соединена с корпусом стержнем, вставленным в радиальные окна полого цилиндрического клапана, при этом полый цилиндрический клапан заглушен снизу, а корпус имеет возможность ограниченных возвратно-поступательных осевых перемещений совместно со сменной втулкой относительно полого цилиндрического клапана с циклическим открытием и закрытием радиальных отверстий полого цилиндрического клапана в процессе закачки жидкости в устройство.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, низкая надежность работы устройства, связанная с отсутствием ограничителя пружины при ее сжатии, что при создании знакопеременной нагрузки приводит к поломке пружины;
- во-вторых, нестабильное создание импульсов из-за малой площади поперечного сечения кольцевого выступа цилиндрического клапана, причем для создания импульсов необходимо создавать высокие давления, что приводит к периодическому «задавливанию» кольцевого выступа цилиндрического клапана в нижний торец внутренней цилиндрической выборки корпуса, при этом возвратной силы пружины не достаточно вследствие высокого давления для возвращения кольцевого выступа цилиндрического клапана в начальное положение, в связи с чем цилиндрический клапан периодически «залипает» в нижнем положении и импульсный поток жидкости переходит в постоянный поток;
- в-третьих, ограниченные технологические возможности работы устройства, обусловленные тем, что корпус циклически перемещается относительно полого цилиндрического клапана с той же частотой и амплитудой, при которой происходит импульсная закачка жидкости в пласт, поэтому работа устройства в наклонных и горизонтальных скважинах не возможна вследствие того, что корпус и пружина будут взаимодействовать с внутренними стенками скважины, что может привести к защемлению пружины;
- в-четвертых, дополнительные затраты на подготовку устройства к работе. Это обусловлено тем, что после спуска устройства в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) их необходимо заполнить жидкостью с устья скважины самотеком с целью стравливания воздуха из колонны НКТ на устье скважины.
Задачами изобретения являются разработка конструкции устройства, позволяющего повысить надежность работы, создать стабильный импульсный поток жидкости, расширить технологические возможности работы, а также исключить дополнительные затраты на подготовку устройства к работе в скважине.
Поставленная задача решается устройством для импульсного воздействия на пласт, включающим корпус с радиальным каналом, концентрично расположенный в корпусе патрубок с центральным каналом, окнами, гайкой и жестко соединенный с переводником, цилиндрический клапан и пружину.
Новым является то, что патрубок жестко зафиксирован относительно корпуса и образует с ним гидрокамеру, при этом цилиндрический клапана размещен внутри патрубка, а патрубок оснащен нижним, средним и верхним рядами отверстий, при этом внутри патрубка выполнены нижний и верхний цилиндрические выборки, причем нижний ряд отверстий патрубка сообщается с пространством под дифференциальным поршнем, установленным в патрубке ниже цилиндрического клапана, и подпружиненным снизу от гайки дополнительной пружиной, при этом в нижней цилиндрической выборке патрубка размещена верхняя часть дифференциального поршня, а в центральном канале патрубка расположена нижняя часть дифференциального поршня, при этом дифференциальный поршень имеет возможность открытия и закрытия нижнего ряда отверстий патрубка при ограниченном осевом перемещении относительно патрубка, а средний ряд отверстий патрубка сообщается с пространством под цилиндрическим клапаном, причем цилиндрический клапан выполнен двухступенчатым, подпружинен снизу от патрубка, при этом верхняя ступень цилиндрического клапана расположена в центральном канале ниже окон патрубка, а нижняя ступень цилиндрического клапана размещена в верхней цилиндрической выборке с возможностью открытия и закрытия верхнего ряда отверстий патрубка при ограниченном осевом перемещении цилиндрического клапана относительно патрубка, причем сверху к дифференциальному поршню жестко соединен шток, имеющий возможность взаимодействия с цилиндрическим клапаном, при этом верхний ряд отверстий патрубка с помощью втулок и дополнительных радиальных каналов, выполненных в корпусе имеет возможность сообщения с затрубным пространством, при этом в патрубке выше нижнего ряда отверстий, но ниже нижней цилиндрической выборки выполнен дополнительный радиальный канал, сообщающийся посредством полого стержня и радиального канала корпуса с затрубным пространством, переводник оснащен обратным клапаном, пропускающим снаружи внутрь устройства.
На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство для импульсного воздействия на пласт в исходном положении.
На фиг. 2 схематично изображено предлагаемое устройство для импульсного воздействия на пласт в рабочем положении.
Устройство для импульсной закачки жидкости в пласт, включающее корпус 1 (см. фиг. 1) с радиальным каналом 2. В корпусе 1 концентрично расположен патрубок 3 с центральным каналом 4, окнами 5, гайкой 6. Патрубок 3 жестко соединен с переводником 7. Устройство также содержит цилиндрический клапан 8 и пружину 9.
Патрубок 3 жестко зафиксирован относительно корпуса 1 и образует с ним гидрокамеру 10. Цилиндрический клапан 8 размещен внутри патрубка 3.
Патрубок 3 оснащен нижним 11, средним 12 и верхним 13 рядами отверстий.
Внутри патрубка 3 выполнены нижний 14 и верхний 15 цилиндрические выборки.
Нижний ряд 11 отверстий патрубка 3 сообщается с пространством 16 под дифференциальным поршнем 17, установленным в патрубке 3 ниже цилиндрического клапана 8.
Дифференциальный поршень 17 подпружинен снизу от гайки 6 дополнительной пружиной 18.
2
В нижней цилиндрической выборке 14 патрубка размещена верхняя часть диаметром - b дифференциального поршня 17.
1
2
1
В центральном канале 4 патрубка 3 расположена нижняя часть диаметром - d дифференциального поршня 17 (d>d).
Дифференциальный поршень 17 имеет возможность открытия и закрытия нижнего ряда 11 отверстий патрубка 3 при ограниченном осевом перемещении относительно патрубка 3.
Средний ряд 12 отверстий патрубка 7 сообщается с пространством 19 под цилиндрическим клапаном 8, причем цилиндрический клапан 8 выполнен двухступенчатым, подпружинен снизу от патрубка 3.
1
Верхняя ступень диаметром - D цилиндрического клапана 8 расположена в центральном канале 4 ниже окон 5 патрубка 3.
2
2
1
Нижняя ступень диаметром - D цилиндрического клапана 8 размещена в верхней цилиндрической выборке 15 с возможностью открытия и закрытия верхнего ряда 13 отверстий патрубка 3 при ограниченном осевом перемещении цилиндрического клапана 8 относительно патрубка 3 (D>D).
Сверху к дифференциальному поршню 17 жестко соединен шток 20, имеющий возможность взаимодействия с цилиндрическим клапаном 8.
Верхний ряд 11 отверстий патрубка 3 с помощью втулок 21 и дополнительных радиальных каналов 22, выполненного в корпусе 1, имеет возможность сообщения с затрубным пространством (на фиг. 1 и 2 не показано). В патрубке 3 (см. фиг. 1) выше нижнего ряда отверстий 11, но ниже нижней цилиндрической выборки 14 выполнен дополнительный радиальный канал 23, сообщающийся посредством полого стержня 24 и радиального канала 2 корпуса 1 с затрубным пространством (на фиг. 1 и 2 не показано).
Переводник оснащен обратным клапаном 25 (см. фиг. 1 и 2), пропускающим снаружи внутрь устройства.
Несанкционированные перетоки жидкости сопрягаемых поверхностей в процессе работы устройства предотвращаются уплотнительными кольцами (на фиг. 1 и 2 не показано).
Устройство для импульсного воздействия на пласт работает следующим образом.
Перед спуском устройства в скважину (не показано на фиг. 1 и 2) в зависимости от приемистости пласта (не показано на фиг. 1 и 2) производят регулировку устройства на лабораторном стенде, то есть подбирают оптимальный режим (частоту колебаний, амплитуду) импульсного воздействия на пласт.
Подбирают пропускную способность верхнего ряда 13 (см. фиг. 1) отверстий патрубка 3, настраивают жесткость дополнительной пружины 18 так, что при определенном расходе жидкости, например 6 л/с и давления, например 5,0 МПа устройство создавало требуемую частоту колебаний и амплитуду импульсов, которые подбирают при стендовых испытаниях.
Увеличить амплитуду колебаний импульсного воздействия на пласт и соответственно перепад давлений, можно увеличив жесткость пружины путем заворота гайки 6 в патрубок 3, и, наоборот, уменьшить амплитуду колебаний импульсного воздействия на пласт, и соответственно перепад давлений можно, уменьшив жесткость пружины путем отворота гайки 6 на патрубке 3.
После регулировки предлагаемое устройство для импульсного воздействия на пласт соединяют с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) с пакером (на фигуре не показано) любой известной конструкции (например, проходной пакер с механической осевой установкой на 25 МПа), причем пакер размещают в составе колонны НКТ выше предлагаемого устройства.
Далее в скважину производят спуск колонны НКТ с пакером (на фиг. 1 и 2 не показано), так, чтобы дополнительные радиальные каналы 22 корпуса 1 располагались напротив перфорационных отверстий (на фиг. 1 и 2 не показано) скважины, а пакер находился на 3-7 м выше кровли пласта, подлежащего импульсному воздействию, например, сточной воды или раствора кислоты.
В процессе спуска устройства на колонне НКТ происходит заполнение внутренних пространств колонны НКТ и гидрокамеры 10 устройства через обратный клапан 25, который перепускает, например, снаружи внутрь при давлении 2,0 МПа.
Наличие обратного клапана 25 позволяет заполнить устройство и колонну НКТ жидкостью из затрубного пространства, что исключает дополнительные затраты на подготовку устройства к работе, т.е. работ, связанных с заполнением колонны НКТ жидкостью с устья скважины самотеком и стравливания воздуха из колонны НКТ.
После спуска устройства на колонне НКТ в заданный интервал производят герметизацию заколонного пространства, для этого производят посадку проходного пакера в скважине.
Обвязывают верхний конец колонны с насосным агрегатом любой известной конструкции, например, с насосным агрегатом ЦА-320. После чего начинают закачку жидкости, например, водного раствора соляной кислоты для кислотной обработки пласта в скважину по колонне НКТ с расходом 6 л/с.
Поток жидкости под действием гидравлического давления, создаваемого с устья скважины насосным агрегатом ЦА-320 по колонне НКТ через центральный канал 4 патрубка 3 (см. фиг. 1) и окна 5 попадает в гидрокамеру 10.
В гидрокамере 10 поток жидкости под действием избыточного гидравлического давления через нижний 11 и средний 12 ряды отверстий попадает в пространство 16 под дифференциальным поршнем 7 и пространство 19 под цилиндрическим клапаном 8, соответственно. Таким образом:
1
В центральном канале 4 патрубка 3 поток жидкости оказывает давление вниз на верхнюю ступень диаметром - D цилиндрического клапана 8.
2
В пространстве 19 поток жидкости оказывает гидравлическое давление вверх на нижнюю часть цилиндрического клапана диаметром D.
1
В пространстве 16 поток жидкости оказывает давление вверх на нижнюю часть дифференциального поршня 17 диаметром - d.
2
В пространстве 19 поток жидкости оказывает гидравлическое давление вниз на верхнюю часть дифференциального поршня диаметром - d.
1
2
2
1
2
1
2
1
Из-за разности диаметров верхней ступени D и нижней ступени D цилиндрического клапана 8 и соответственно, разности их площадей, так как D>D, разность усилий от воздействия давления жидкости всегда будет направлена снизу вверх в сумме с усилием пружины 9. Аналогично из-за разности площадей верхней d и нижней d частей (d>d) дифференциального поршня 17 разность усилий от воздействия давления жидкости будет направлена сверху вниз.
При таких условиях дифференциальный поршень 17 будет находиться в неподвижном положении до тех пор, пока разность усилий в направлении вниз не будет превышать усилие сжатия дополнительной пружины 18.
При повышении давления жидкости в колонне НКТ и в предлагаемом устройстве до величины, превышающим расчетное давление сжатия дополнительной пружины 18, как указано выше 5,0 МПа, например 7,0 МПа, увеличивается, разность усилий до величины, превышающей усилие сжатия дополнительной пружины 18.
В результате дифференциальный поршень 17 опускается вниз на длину L (см. фиг. 1 и 2), сжимая дополнительную пружину 18 (см. фиг. 2).
В результате этого поток жидкости устремляется из гидрокамеры 10 через нижний ряд 11 отверстий, полость 26 между верхней и нижней ступенями дифференциального поршня 17 через дополнительный радиальный канал 23, полый стержень 24 и радиальных канал 2 корпуса 1 в затрубное пространство (на фиг. 1 и 2 не показано), при этом происходит сброс давления в гидрокамере 10 (см. фиг. 2) и пространствах 16 и 19 под дифференциальным поршнем 17 и под цилиндрическим клапаном 8, соответственно до величины, при которой усилие от воздействия давления на цилиндрический клапан 8 сверху превысит усилие, действующее снизу.
В этот момент происходит мгновенное перемещение вниз цилиндрического клапана 8 и открытие верхнего ряда 13 отверстий патрубка 3, при этом цилиндрический клапан 8, сжимая пружину 9, перемещается вниз до тех пор, пока нижним торцом не упрется в шток 20, жестко закрепленный на верхнем торце верхней ступени дифференциального поршня 17.
В результате поток жидкости по колонне НКТ и центральный канал 4 через верхний ряд 13 отверстий патрубка 3 и втулки 21 через дополнительные радиальные каналы 22 в корпусе 1 поступает в затрубное пространство (на фиг. 1 и 2 не показано) и далее через перфорационные отверстия скважины в призабойную зону скважины.
Далее поток жидкости из центрального канала 4 (см. фиг. 2) поступает через окна 5 патрубка 3 в гидрокамеру 10 и пространства 16 и 19 под дифференциальным поршнем 17 и под цилиндрическим клапаном 8, соответственно.
В результате в пространствах 16 и 19 под дифференциальным поршнем 17 и под цилиндрическим клапаном 8, соответственно, гидравлическое давление резко повышается, а в центральном канале 4 патрубка 3 над цилиндрическим клапаном гидравлическое давление остается низким из-за перетока потока жидкости через верхний ряд 13 отверстий патрубка 3 и втулки 21 через дополнительные радиальные каналы 22 в корпусе 1 поступает в затрубное пространство.
В итоге цилиндрический клапан 8 под действием возвратной силы пружины 9 и дифференциальный поршень 17 под действием возвратной силы дополнительной пружины 18 возвращаются в исходное положение (см. фиг. 1), при этом верхний ряд 13 отверстий патрубка герметично перекрывается цилиндрическим клапаном 8. Таким образом, происходит один цикл импульсного воздействия на пласт.
Наличие штока 20, жестко закрепленного сверху к дифференциальному поршню 17,  позволяет ограничить осевое сжатие пружины 9, и тем самым исключить ее поломку при восприятии ею знакопеременных нагрузок, в связи с чем повышается надежность работы устройства и, как следствие, увеличивается ресурс работы устройства до отказа.
Далее продолжают закачку жидкости в колонну НКТ и устройства с устья скважины насосным агрегатом ЦА-320, и циклы воздействия на пласт повторяют необходимое количество раз.
Предлагаемая конструкция устройства, которая включает в себя дифференциальный поршень и цилиндрический клапан, обеспечивает слаженную работу устройства при меньших гидравлических давлениях в сравнении с прототипом, а также гарантирует создание стабильных импульсов потока жидкости требуемой частоты и амплитуды колебаний давления и исключает периодическое «залипание» цилиндрического клапана в нижнем положении.
Эти циклы многократно повторяются, как описано выше, при этом равномерный поток жидкости преобразуется в импульсный, что приводит к воздействию на пласт потоком жидкости, при этом корпус 1 и патрубок 3 остаются неподвижными, а внутри патрубка 3 циклически перемещаются цилиндрический клапан 8 и дифференциальный поршень 17, возвратное перемещение которых осуществляется за счет пружин сжатия 9 и 18, соответственно, размещенных внутри устройства.
Благодаря тому, что в процессе работы корпус 1 остается неподвижным, расширяются технологические возможности работы устройства, т.е. устройство можно применять в наклонных и горизонтальных скважинах, так как исключен как контакт с внутренними стенками скважины, а также исключается защемление пружины стенками скважины.
Предлагаемое устройство для импульсного воздействия на пласт позволяет:
- повысить надежность работы и ресурс наработки до отказа;
- расширить технологические возможности работы;
- исключить дополнительные затраты на подготовку устройства к работе.