Скважинный сейсмоисточник
BOREHOLE SEISMIC VIBRATOR

Предлагаемое изобретение относится к вибросейсмической технике и может быть использовано для повышения нефтеотдачи нефтеносных месторождений путем скважинного вибровоздействия на нефтяные пласты, а также для сейсморазведки земных недр.
Известно устройство для волнового воздействия на залежь состоящее из груза для нанесения ударов, связанного с ним подъемного механизма, траверсы с захватными элементами и прерывателя, предназначенного для соединения со скважиной. См. авторское свидетельство СССР №1710709, 1992 года.
К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность его использования для силового воздействия на стенки обсадной трубы ориентированной нормально залежи для повышения нефтеотдачи нефтеносных месторождений, то есть ограниченные технологические возможности.
Известно устройство «Скважинный сейсмоисточник». См. патент РФ №2753806, от 03. 11. 2020 года - прототип, используемый для повышения нефтеотдачи нефтеносных месторождений путем генерирования и передачи сейсмоколебаний в нефтесодержащие пласты, а также для сейсморазведки земных недр.
Скважинный сейсмоисточник содержит силовые устройства с плунжерами, между которыми в неразъемном корпусе смонтирован электромагнитный молот двойного действия с катушками прямого и обратного хода бойка, полюсами, индуктивными датчиками положения бойка на его диамагнитной направляющей, который верхним и нижним торцом взаимодействует с плунжерами силовых устройств, причем полости электромагнитного молота вакуумированы. А по наружной поверхности силовых устройств и корпуса электромагнитного молота размещен кабель, предназначенный для связи молота с блоком питания и управления. При этом каждое из верхнего и нижнего силовых устройств выполнено в виде расположенной в корпусе силового устройства эластичной камеры с маслонаполненной полостью. Причем эластичная камера связана по наружной поверхности с ортогонально подвижными клиньями и пуансонами, взаимодействующими с возвратными пружинами. На пуансонах установлены накладки, смонтированные в отверстиях корпуса с возможностью радиального перемещения. Плунжер связан с эластичной камерой, а сейсмоисточник снабжен преобразователем с эластичной диафрагмой, предназначенной для отделения маслонаполненных полостей, связанных патрубками эластичных камер верхнего и нижнего силовых устройств, который присоединен к верхней части маслонаполненного ввода, закрепленного к корпусу верхнего силового устройства.
К недостаткам известного устройства можно отнести снижающуюся надежность эластичной диафрагмы преобразователя, работающего в условиях высокого давления и высокой температуре. Что ограничивает технологические возможности устройства, поскольку такой сейсмоисточник нельзя использовать на больших глубинах. Эластичная диафрагма в условиях высокого давления и высокой температуры выйдет из строя, что сокращает срок службы сейсмоисточника и, при этом, приведет к заклиниванию сейсмоисточника в обсадной трубе, поскольку пуансоны с накладками не смогут вернуться в исходное положение. И все затраты связанные с разработкой скважины и самого сейсмоисточника окажутся напрасными, поскольку придется оставить сейсмоисточник в скважине и начать разрабатывать другую. Таким образом, эластичная диафрагма не обеспечивает надежность работы устройства.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является расширение технологических возможностей, заключающихся в повышении надежности работы источника в условиях высокого давления и температуры, путем изменения давления в полости камеры большого гидроцилиндра преобразователя, связанного с гарантированным возвратом поршней и соответственно с возвратом пуансонов с накладками силовых элементов в исходное положение, что обеспечивает беспрепятственное извлечение источника из обсадной трубы.
Поставленный технический результат достигается использованием сочетания общих с прототипом известных признаков, заключающихся в том, что скважинный сейсмоисточник содержит, по меньшей мере, один силовой элемент, выполненный в виде цилиндрического корпуса с пуансонами, накладками, эластичными камерами, клиновыми распорами, возвратными пружинами, электромагнитным молотом с катушками прямого и обратного хода и датчиками положения бойка, преобразователь, связанный патрубками с насосом и с силовыми элементами, и кабель для связи молота с блоком питания и управления и новых признаков, заключающихся в том, что преобразователь выполнен в виде, по меньшей мере, двух соосно расположенных гидроцилиндров с поршнями большего и меньшего диаметров жестко связанными друг с другом, полость гидроцилиндра с поршнем меньшего диаметра соединена при помощи напорной магистрали с водяным насосом высокого давления и снабжена датчиком давления и датчиком температуры, а полость гидроцилиндра поршня большего диаметра при помощи соединительных патрубков соединена с маслонаполненными эластичными камерами силовых элементов.
Полость гидроцилиндра снабжена механизмом возврата поршня большего диаметра в исходное положение.
Механизм возврата поршня большего диаметра в исходное положение выполнен в виде тарельчатой пружины.
Соотношение диаметра меньшего поршня преобразователя к диаметру большего поршня выполнено от 1,0 к 50,0 до 1,0 к 10,0.
Новизной предполагаемого изобретения является то, что преобразователь выполнен в виде, по меньшей мере, двух соосно расположенных гидроцилиндров с поршнями большего и меньшего диаметров жестко связанными друг с другом, полость гидроцилиндра с поршнем меньшего диаметра соединена при помощи напорной магистрали с водяным насосом высокого давления и снабжена датчиком давления, а полость гидроцилиндра поршня большего диаметра при помощи соединительных патрубков соединена с маслонаполненными эластичными камерами силовых элементов.
Признак выполнения преобразователя в виде, по меньшей мере, двух соосно расположенных гидроцилиндров, обеспечивает высокую надежность работы сейсмоисточника в условиях высокого давления и высокой температуры, длительный срок службы.
Признак выполнения гидроцилиндров с поршнями большего и меньшего диаметров жестко связанными друг с другом, обеспечивает возможность регулировки давления для работы сейсмоисточника на больших глубинах. Обеспечивает равенство давлений на входе и выходе преобразователя и возможность точно регулировать давление. Так, например, в прототипе, эластичная диафрагма никак не учитывала разное давление и температуру - в зависимости от глубины скважины и рассчитать ее работоспособность не представлялось возможным. А в условиях высоких температур и давлении эластичная диафрагма вообще может выйти из строя и привести к заклиниванию сейсмоисточника в обсадной трубе. Таким образом наличие эластичной диафрагмы ограничивает технологические возможности сейсмоисточника. А в предполагаемом изобретении, зная глубину скважины, разницей в диаметре жестко связанных друг с другом поршней и соотношением диаметров поршней, можно регулировать и выравнивать давление, обеспечивая тем самым гарантийный возврат пуансонов с накладками в исходное положение при высоком давлении и температуре.
Признаки соединения полости гидроцилиндра с поршнем меньшего диаметра при помощи напорной магистрали с водяным насосом высокого давления и снабжение датчиком давления и датчиком температуры, соединение полости гидроцилиндра поршня большего диаметра при помощи соединительных патрубков с маслонаполненными эластичными камерами силовых элементов обеспечивают создание давления в полости гидроцилиндра с поршнем меньшего диаметра, преобразование входного давления поршнем с большим диаметром, в рабочее давление, которое воздействует посредством эластичной камеры силового элемента на пуансоны с накладками и клиновые распоры.
Наличие датчика давления и датчика температуры в преобразователе обеспечивают контроль за давлением и температурой в преобразователе, перед началом и во время работы сейсмоисточника. Обеспечивают возможность расчета необходимого усилия для перемещения пуансонов с накладками до их контакта с обсадной трубой на глубине.
Признак снабжения полости гидроцилиндра механизмом возврата поршня большего диаметра в исходное положение, признак выполнения механизма возврата поршня большего диаметра в исходное положение в виде тарельчатой пружины, а также признак выполнения соотношения диаметра меньшего поршня преобразователя к диаметру большего поршня от 1,0 к 50,0 до 1,0 к 10,0 - являются признаками дополнительными, способствующими достижению поставленного технического результата предполагаемым изобретением. Так, признак снабжения полости гидроцилиндра механизмом возврата поршня большего диаметра в исходное положение способствует гарантированному возврату поршня в исходное положение и, соответственно, возврату пуансонов с накладками, а признак выполнения соотношения диаметра меньшего поршня преобразователя к диаметру большего поршня от 1,0 к 50,0 до 1,0 к 10,0 способствует необходимой настройке и регулировки поршня для работы сейсмоисточника на необходимой глубине. Так, например, чем глубже скважина, тем больше должно быть соотношение между диаметрами малого и большого поршнями. При этом, при соотношении от 1,0 и более чем к 50,0 потребуется создавать слишком большое давление воды насосом, что может привести к авариям на трубопроводе и при этом потребуется оборудование - насос большой мощности, что приведет к удорожанию конструкции в целом и увеличению потребления электроэнергии. Поэтому изготавливать поршни соотношением от 1,0 и более, чем к 50 не целесообразно. При этом, при соотношении поршней от 1,0 и менее, чем к 10 может привести к созданию чрезмерно высокого давления в эластичных камерах силовых элементов, что приведет к заклиниванию сейсмоисточника в обсадной трубе, поскольку вернуться в исходное положение пуансоны не смогут, так как даже в случае применения пружин, они не смогут преодолеть чрезмерно высокого давления водяного столба. Соответственно выполнение соотношения поршней от 1,0 до менее чем к 10 также нецелесообразно.
Наличие тарельчатой пружины способствует возможности настройки рабочего давления в преобразователе, а при снятии рабочего давления, обеспечивает создание давления на нижний поршень, который создавая разряжение в маслонаполненных эластичных камерах без дополнительных усилий возвращают пуансоны с накладками в исходное положение. Это обеспечивает свободное извлечение сейсмоисточника из обсадной трубы.
Проведенный патентно-информационный поиск в процессе подготовки материалов сочетания, предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе не выявил, что, позволяет отнести признаки к обладающими новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и не вытекает из него явным образом - позволяет получить более высокий технический результат, то предлагаемые существенные признаки и их сочетание можно считать имеющими изобретательский уровень.
Описание осуществления, предлагаемого скважинного сейсмоисточника позволяет отнести его к промышленно выполнимым.
На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез скважинного сейсмоисточника, с преобразователем, в обсадной трубе.
На фиг. 2 схематично показан поперечный разрез силового элемента.
На фиг. 3 схематично показан продольный разрез преобразователя давления с пружинами.
На фиг. 4 схематично показан преобразователь в виде гидроцилиндра с большим и малым диаметрами поршней.
Предлагаемый сейсмоисточник состоит из корпуса 1 верхнего силового элемента 2, корпуса 3 нижнего силового элемента 4, пуансонов 5 с присоединенными накладками 6, клиновых распоров 7, возвратных пружин 8, эластичной камеры 9 с герметизирующими ниппелями 10 и 11, плунжерами 12 с возвратными пружинами 13 в каждом силовом элементе. Между корпусами 1 и 3 силовых элементов смонтирован корпус электромагнитного молота 14, содержащий катушку 15 прямого и катушку 16 обратного хода бойка 17, индуктивные датчики верхнего 18 и нижнего 19 положения бойка 17, диамагнитной направляющей 20 бойка 17. В корпусах 1 и 3 силовых элементов 2 и 4 изготовлены технологические отверстия 21 напротив каждой накладки 6 присоединенной пуансону 5. К корпусу 1 верхнего силового элемента 2 прикреплен преобразователь 22 давления выполненный в виде, двух соосно расположенных гидроцилиндров с поршнями, жестко связанными друг с другом, с установленным в нем датчиком 23 давления и датчиком 24 температуры, малым 25, большим 26 поршнями и пружиной 27. Преобразователь 22 соединен с трубой 28 снабженной предохранительным клапаном 29 с насосом 30, находящимся на поверхности. Маслонаполненная полсть 31 преобразователя 22 соединена патрубком 32 с эластичной камерой 9 силового элемента 2, а патрубком 33 соединена с эластичной камерой 9 силового элемента 4. Обсадная труба 34, закрыта устьевой арматурой и связана трубопроводом 35 с вентилем 36 и водяным насосом 37. На фиг. 1 показан сейсмоисточник с преобразователем с установленными пружинами, при этом, большом давлении водяного столба - при работе на больших глубинах возможно использование тарельчатых пружин, показанных на фиг. 3
Сейсмоисточник работает следующим образом: настроенный сейсмоисточник опускают в обсадную трубу 34 на заранее определенную глубину и закрывают устьевой арматурой. Насосом 30 нагнетают рабочую жидкость по трубе 28 в преобразователь 22. Рабочая жидкость попадая в преобразователь давит на малый 25 поршень. Давление передается большому 26 поршню, который, перемещаясь, сжимает пружины 27 и вытесняет масло из полости 31 по патрубкам 32 и 33 в эластичные камеры 9 силовых элементов 2 и 4. Эластичные камеры 9 расширяясь взаимодействуют с пуансонами 5, с присоединенными накладками 6, и клиновыми распорами 7 задавая им радиальное перемещение. Перемещаясь накладки 6 проходят через технологические отверстия 21 и упираются во внутренние стенки обсадной трубы 34 фиксируя сейсмоисточник для работы. Преобразователь 22 выравнивает давление в маслонаполненной полости 31, а датчик 23 давления дает сигнал на отключение насоса 30. При этом, датчик 24 температуры так же подает сигнал на отключение насоса 30 в случае перегрева и превышении температурного порога, предупреждая тем самым выход сейсмоисточника из строя. Работу сейсмоисточника начинают с включения его системы управления. Пуск электромагнитного молота 14 производят подачей напряжения на катушку 16 обратного хода. Под действием электромагнитной силы катушки 16 боек 17 быстро перемещается в верх вдоль диамагнитной направляющей 20 и своим верхним торцом ударяет по плунжеру 12 верхнего силового элемента 2, который проникая во внутреннюю полость эластичной камеры 9 заполненную рабочей жидкостью создает импульс гидравлического давления. Возникший импульс давления воздействует на эластичную камеру 9, которая расширяясь, воздействует на клиновые распоры 7 и пуансоны 5. Преодолевая сопротивление возвратных пружин 8 пуансоны 5 с присоединенными накладками 6, перемещаясь радиально, передают возникший импульс обсадной трубе 34. Возникшие виброимпульсы от силового элемента 2 распространяются от всего периметра наружной поверхности обсадной трубы 34 в нефтеносный пласт. При достижении бойком 17 уровня верхнего индуктивного датчика 18, последний, отключает катушку 16 обратного хода и включает катушку 15 прямого хода. Под действием собственного веса и электромагнитной силы катушки 15 прямого хода боек 17 ударяет по плунжеру 12 нижнего силового элемента 4, который работает аналогично верхнему силовому элементу 2. Возникшие виброимпульсы распространяются в нефтеносный пласт. После чего рабочий цикл многократно повторяется. При этом чем глубже скважина, тем больше разница между диаметрами малого и большого поршней. После выполнения работы, в трубе 28 снижают давление рабочей жидкости. В преобразователе 22 давление на малый 25 поршень так же снижается. Под воздействием пружины 27 большой 26 поршень, поднимаясь, создает разряжение в эластичных камерах 9, чем заставляет пуансоны 5 с накладками 6 и распорными клиньями 7 возвратиться в исходное положение. Изменяя соотношения диаметров поршней и усилия разных пружин, добиваемся того, что сейсмоисточник предлагаемой конструкции может работать в скважинах разных глубин.
Применение преобразователя в виде гидроцилиндра с поршнями различных диаметров позволит нивелировать воздействие высокого давления статического столба воды на работу силовых элементов. Так, например, в прототипе с эластичной диафрагмой, в случае ее разрушения все давление статического столба воды будет воздействовать на эластичные камеры силовых элементов, что приведет к неконтролируемому расширению пуансонов силовых элементов и невозможности извлечения сейсмоисточника из обсадной трубы. А в предлагаемой конструкции такая ситуация исключена. Таким образом получаем заявленный технологический результат - расширение технологических возможностей сейсмоисточника, заключающихся в повышении надежности работы в условиях высокого давления и температуры, путем изменения давления в полости камеры большого гидроцилиндра преобразователя, связанного с гарантированным возвратом поршней и соответственно с возвратом пуансонов с накладками силовых элементов в исходное положение, что обеспечивает беспрепятственное извлечение источника из обсадной трубы.
В настоящее время на предлагаемый сейсмоисточник разработана конструкторская документация. В ближайшее время будет принято решение о выпуске опытных образцов. После проведения комплексных испытаний будет принято решение о выпуске сейсмоисточника предлагаемой конструкции.