ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПУЛЬСАТОР
HYDRODYNAMIC PULSATOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для воздействия на продуктивный пласт с целью очистки призабойной зоны и увеличения производительности скважин.
Известен гидравлический вибратор (см. а.с. СССР №817219, Мкл. Е21В 43/00, опубл. 30.03.1981. Бюл. №12).
Устройство включает в себя корпус с окнами, подвижную муфту с посадочным седлом под запорный орган-шар. Подвижная муфта кинематически связана через палец с втулкой, которая в свою очередь снабжена подпружиненной стопорной втулкой.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- устройство имеет ограниченное применение, поскольку может генерировать пульсации в потоке, в достаточно узком диапазоне частот;
- низкая амплитуда пульсации снижает эффективность воздействия;
- эффективность работы вибратора существенно зависит от скорости потока рабочей жидкости;
- совместное перемещение втулки с муфтой в осевом направлении приводит к неопределенности процесса генерации гидравлических импульсов, поскольку промывочные окна в теле корпуса перекрываются телом муфты, при ее перемещении.
Известно устройство для воздействия на призабойную зону скважины (см. а.с. СССР №1535971, Мкл. Е21В 43/00, опубл. 15.01.1990. Бюл. №2).
Устройство состоит из полого корпуса, в осевом канале которого установлен полый патрубок, между которыми образован кольцевой зазор. Полый патрубок снабжен перфорированной перегородкой, связанной с полым корпусом резьбой. Полый патрубок имеет конический осевой канал с посадочным местом под шаровой клапан, поджимаемый к нему через втулку пружиной сжатия. Осевой канал полого патрубка под шаровым клапаном постоянно гидравлически связан с полостью скважины. Кольцевой зазор между полым корпусом и полым патрубком также имеет постоянную гидравлическую связь через отверстия в теле перфорированной перегородки с полостью скважины.
Усилие поджима шарового клапана к посадочному месту в полом патрубке можно регулировать путем изменения жесткости пружины, что позволяет изменять частоту и амплитуду пульсации рабочей жидкости.
Недостатки конструкции:
- при прокачке рабочей жидкости через устройство (в положении, как показано на рисунке) генерация частотных колебаний возможна только в осевом канале полого патрубка.
При этом частота колебаний будет высокой при относительно малом расходе рабочей жидкости, что не позволяет эффективно воздействовать на продуктивный пласт и поток пластовой жидкости. Частота пульсаций, по ряду литературных источников, должна быть в диапазоне f=0,05-0,01 Гц и напрямую зависит от глубины скважины и свойств пластового флюида.
При противоположном существовании потока шаровой клапан в генерации не участвует, поскольку поток через отверстия в перфорационной решетке подается по кольцевому зазору с открытием гидравлической связи, при перемещении подпружиненного поршня от торца полого патрубка.
Режим сброс давления и пропуск достаточно большего объема рабочей жидкости через устройство в этом случае будет достаточно проблематичным, поскольку отверстия в перфорированной решетке обладают достаточно высоким гидравлическим сопротивлением, а в совокупности с гидравлическим сопротивлением кольцевого зазора не дают возможность генерировать импульсы необходимой частоты.
В качестве прототипа определен гидродинамический пульсатор давлении (см. пат. РФ №2.212.513, МПК 7 Е21В 28/00, опубл. 20.09.2003).
Пульсатор состоит из полого корпуса с перепускными окнами, подпружиненного и перекрывающего перепускные окна торцового клапана, установленного с возможностью осевого перемещения и разделения области высокого и низкого давления. Торцовый клапан опирается на седло и поджат к последнему пружиной, опирающейся на нижнюю крышку. В осевом канале торцового клапана установлен поршень, опирающийся на пружину, входящую в торцовый контакт с донышком нижней крышки, в которой выполнены демпфирующее отверстие и калиброванные отверстия, перекрытые с внешней стороны подпружиненным перепускным клапаном.
Работа конструкции.
Устройство в составе лифтовой колонны труб располагают в скважине на заданной глубине и осуществляют прокачку рабочей жидкости.
При этом с ростом давления последнее сообщается на площадь поперечного сечения седла и площадь поперечного сечения подпружиненного поршня.
При этом торцовый клапан пружиной поджимается к седлу и перепад давления сверху не воспринимает. В устройстве отражено условие, обуславливающее возможность работы пульсатора, а именно жесткость пружины, поджимающей торцовый клапан к седлу, выше жесткости пружины поршня.
При перемещении поршня вниз и совместного перемещения седла с торцовым клапаном жидкость из внутренней полости корпуса вытекает в полость скважины через демпфирующее отверстие в нижней крышке, и дополнительно при наличии избыточного давления могут открыться калиброванные отверстия для пропуска жидкости.
Согласно описания конструкции и принципа работы должно произойти открытие торцового клапана, что приведет к образованию гидравлической связи полости лифтовой колонны труб с межтрубным пространством и сбросу жидкости через перепускные окна в полом корпусе в полость скважины.
При этом происходит падение давления и усилием предварительно сжатых пружин торцовый клапан входит в торцовый контакт с седлом с прекращением этой гидравлической связи. Поршень также возвращается в исходное положение.
Но согласно описания конструкции нет условий, при которых происходит отход торцового клапана от седла. Если допустить, что поршень дойдет до торцового контакта с внутренним выступом на втулке торцового, то тогда возможен отрыв от седла и то в случае, что седло имеет ограничитель его осевого перемещения.
Чтобы внутренняя полость полого корпуса обладала демпфирующими свойствами, оно должно иметь объем, сравнимый хотя бы с секундным расходом подаваемой с поверхности рабочей жидкости.
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что конструкция неработоспособна.
Анализ технических решений по аналогичным разработкам в данной отрасли показал, что известно технологическое решение (см. пат. РФ №2083084, МКИ 6 Е21В 37/00, опубл. 10.07.1977 г. «Способ предотвращения отложений парафина»), в котором для его реализации предложено пропускать через штуцирующее устройство поток жидкости, с изменением в импульсе его скорости. При этом перепад давления в диапазоне от 0,015 МПа до 0,035 МПа.
Т.е. необходима настройка на заданный технологический режим, с соответствующим обеспечением резкой подачи рабочей жидкости.
Известно техническое решение (см. а.с. СССР №1661372, МКИ Е21В 33/14, опубл. 07.07.1991. Бюл. №25 «Башмак обсадной колонны»), в котором реализован принцип принудительного отрыва шарового клапана от седла, при их совместном перемещении до взаимодействия со штоком, жестко связанным с переводником. Тем самым обеспечивается образование гидравлической связи осевого канала бурильной колонны труб с полостью скважины.
Известно техническое решение (см. а.с. СССР №1624130, Мкл. Е21В 34/16, опубл. 30.01.1991. Бюл. №4 «Клапанное устройство для управления работой газонефтяной скважины»), в котором реализован принцип ввода иглы в осевой канал дросселя для его очистки, при изменение перепада давления на нем.
В патентной и научно-технической литературе нами не обнаружено устройство, в котором реализован принцип генерации низкочастотных импульсов, с подачей из камеры высокого давления рабочей жидкости с высоким единичным расходом.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- возможность изменения частоты пульсаций за счет регулирования жесткости пружины, ограничения длины хода седла;
- возможность регулирования частоты пульсаций, за счет контролируемого расхода рабочей жидкости через дроссель;
- возможность подачи рабочей жидкости с максимальным расходом при полном открытии перепускного канала, образованного между седлом и торцовым клапаном.
Технический результат достигается с помощью известного устройства, устанавливаемого на отводящем трубопроводе фонтанной арматуры.
Гидродинамический пульсатор включает корпус с окнами, в осевом канале которого установлено седло с подпружиненным торцовым клапаном, снабженным втулкой с внутренним кольцевым выступом, подпружиненным поршнем в осевом канале втулки, снабженным полым штоком, с дросселем в осевом канале, нижняя крышка снабжена иглой, входящей в осевой канал дросселя, с возможностью образования подвижного соединения. Корпус снабжен стопором, расположенным под седлом, пружина поршня установлена в кольцевом зазоре между втулкой и полым штоком с опорой на внутренний кольцевой выступ втулки, причем поршень установлен с возможностью торцового контакта с дополнительным посадочным местом на седле.
Демпфирующий канал выполнен в корпусе, который установлен в осевом канале отводящего трубопровода, с боковым отводящим патрубком, с обеспечением постоянной гидравлической связи осевого канала корпуса над нижней крышкой с полостью отводящего патрубка.
Гидравлический пульсатор для воздействия на поток добываемого флюида путем генерации гидродинамических импульсов расхода и давления показан на чертежах, где:
- на фиг.1 показана конструкция устройства в разрезе в исходном положении;
- на фиг.2 - конструкция устройства в разрезе в момент открытия торцового клапана и образования гидродинамической связи скважины с высоким давлением с промысловым коллектором.
Заявляемое устройство состоит из корпуса 1 с перепускным окном 2, снабженным нижней крышкой 3. В осевом канале 4 корпуса 1 в верхней части установлено седло 5, к которому пружиной 6 поджат торцовый клапан 7 с втулкой 8, снабженной на нижнем конусе внутренним кольцевым выступом 9. Внутри осевого канала торцового клапана 7 установлен кольцевой поршень 10, поджимаемый к посадочному месту 11 на седле 5 пружиной 12, опирающейся на внутренний кольцевой выступ 9 втулки 8. Кольцевой поршень 10 снабжен полым штоком 13, осевой канал 14 которого содержит дроссель 15. Нижняя крышка 3 снабжена иглой 16, входящей в осевой канал дросселя 15. Внутренняя полость осевого канала 4 постоянно гидравлически связана перепускным отверстием 17 в теле корпуса 1 с полостью отводящего патрубка 18. Ход седла 5 в осевом канале 4 корпуса 1 ограничен стопором 19, жестко связанным с последним.
Пружина 6, поджимающая торцовый клапан 7 к седлу 5, принята по жесткости больше, чем пружина 12, поджимающая кольцевой поршень 10 к посадочному месту 11 на седле 5.
Пульсатор в сборе устанавливается в осевом канале отводящего трубопровода 20.
Шток 16, входящий в осевой канал дросселя 15, на внешней стороне содержит продольные пазы 21, играющие роль дросселирующих каналов, суммарное сечение которых определяется исходя из дебита добывающей скважины и необходимой частоты пульсации.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Пульсатор в сборе устанавливается в осевом канале отводящего трубопровода 20.
При открытии задвижки на фонтанной арматуре скважины поток пластовой жидкости подается в осевой канал 4 корпуса 1, откуда поступает в осевой канал 14 полого штока 13 и через продольные пазы 21 в штоке 13 и кольцевой зазор между ним и дросселем 15 подается с регулируемым расходом в осевой канал 4 над нижней крышкой 3 и далее через демпфирующий канал 17 отводится в полость отводящего патрубка 18 и далее в промысловый коллектор.
Поскольку расход пластовой жидкости через дроссель 15 и продольные пазы 21 на штоке 16 принят меньше, чем дебит скважины, то в осевом канале 4 над седлом 5 происходит плавный рост давления, которое воспринимается площадью седла 5. Седло 5 под давлением этого перепада давления совместно с торцовым клапаном 7 и кольцевым поршнем 10 перемещаются в осевом канале 4 корпуса 1 с сжатием пружины 6 и пружины 12.
При достижении седлом 5 стопора 19 последнее останавливается. Кольцевой поршень 10 избыточным давлением выходит из взаимодействия с посадочным местом 11 на седле 5, с включением дополнительной площади восприятия давления и возникновением дополнительного осевого усилия, сообщаемого на пружину 12.
При этом через пружину 12 происходит передача дополнительной осевой нагрузки на кольцевой выступ 9 втулки 8, связанной жестко с торцовым клапаном 7. Тем самым происходит резкий отрыв торцового клапана 7 от седла 5 с образованием гидравлической связи осевого канала отводящего трубопровода 20 через перепускное окно 2 с отводящим патрубком 18 и далее с промысловым коллектором. Дроссель 15, перемещаясь относительно штока 16, обеспечивает очистку кольцевого зазора и продольных пазов 21.
При сбросе порции пластовой жидкости происходит выравнивание давления внутри пульсатора.
Усилием предварительно сжатой пружины 12 и пружины 6 кольцевой поршень 10 и торцовый клапан 7 возвращается в исходное положение с вводом в торцовый контакт с седлом 5 торцового клапана 7 и кольцевого поршня 10 с посадочным местом 11.
Седло 5 в контакте с торцовым клапаном 7 и кольцевым поршнем возвращается в исходное положение. Далее процесс повторяется многократно, в процессе работы скважины.
Резкое открытие торцового клапана 7 приводит к резкому увеличению расхода пластовой жидкости и скорости перемещения в осевом канале лифтовой колонны труб. Это приводит к возникновению волны возмущения, что способствует созданию барьера на пути перемещения молекул парафина к стенке труб лифтовой колонны и их абсорбции. При высоком газовом факторе резкое открытие торцового клапана способствует тому, что растворенный газ начинает выделяться из нефти, с ее вспениванием, что приводит к уменьшению удельного веса смеси, а значит, и снижению гидростатического давления в лифтовой колонне труб. Тем снижается противодавление на пласт и возникает условие увеличения суммарного дебита скважины.