ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПУЛЬСАТОР
HYDRODYNAMIC PULSATOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может найти применение при эксплуатации и капитальном ремонте действующего фонда скважин для воздействия на призабойную зону скважин и увеличения проницаемости продуктивного пласта.
Известен прямоточный регулируемый штуцер (ШРП) (см. «Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин». - М.: Недра, 1984 г., с.115-116).
Штуцер состоит из корпуса с присоединительными фланцами, керамической насадки, наконечника, связанного с регулировочным поршнем и конусом, ходовой гайки. Конструкция устройства позволяет изменять режим протекания продукции при дросселировании в кольцевом зазоре между внутренней поверхностью керамической насадки и наружной наконечника.
Площадь сечения кольцевого зазора изменяется путем вращения ходовой гайки и ввода-вывода наконечника в осевой канал насадки.
Недостатки. При возможном изменении режима течения продукции через устройство отсутствует механизм воздействия на поток жидкости с генерацией импульсов.
Известен забойный пульсатор (см. М Кл. E21B 43/00, а.с. №439593, опубл. 15.08.1974 г.), состоящий из корпуса, в котором концентрично размещен патрубок с окнами, установленный относительно корпуса с зазором. Один конец патрубка заглушен, а другой соединен посредством муфты с переводником.
Внутри осевого канала патрубка размещено седло с подпружиненным шаровым клапаном. Между седлом и переводником размещен резиновый амортизатор.
При работе устройства в режиме прокачки через него потока жидкости происходит циклическое изменение расхода и давления с генерацией пульсирующих колебаний и их воздействием на пласт.
Устройство может работать в ограниченном диапазоне генерации импульсов, поскольку настройка на технологический режим осуществляется путем поджима пружины до момента установки в скважину. Изменять режим эксплуатации устройства можно только после демонтажа его с места применения. При изменении режима подачи жидкости от насосных агрегатов, что возможно, например, в случае закачки реагентов в продуктивный пласт, меняется характеристика генерируемых импульсов, частота которых не совпадает с частотой, заложенной в технологический процесс.
Известно устройство для воздействия на призабойную зону скважины (см. а.с. СССР №1535971, Мкл E21B 43/00, опубл. 15.01.1990, бюлл. №2).
Устройство состоит из полого корпуса, в осевом канале которого размещен полый патрубок, с образованием между ними кольцевого зазора. Полый патрубок одним концом связан с перфорированной перегородкой, которая, в свою очередь, связана с корпусом.
Осевой канал полого патрубка выполнен в виде усеченного корпуса с посадочным местом под шаровой клапан, поджимаемым к нему подпружиненным стаканом, имеющим осевой канал. Осевой канал полого патрубка постоянно гидравлически связан с полостью скважины.
Кольцевой зазор между внутренней поверхностью полого корпуса и наружной поверхностью полого патрубка постоянно гидравлически связан отверстиями в теле перфорированной перегородки с полостью скважины. Сверху кольцевой зазор перекрыт подпружиненным поршнем.
Усилие поджима шарового клапана к посадочному месту можно регулировать путем изменения жесткости пружины. Для этого полый патрубок можно накручивать на резьбу, которой снабжен патрубок перфорированной перегородки. Но при этом необходим демонтаж устройства с места применения.
Вращением перфорированной перегородки возможно изменять жесткость пружины, поджимающей поршень к торцевой поверхности полого патрубка.
Известна конструкция пульсатора (см. «Применение импульсных технологий в добыче газа на поздней стадии разработки месторождений», «Вестник Северо-Кавказского государственного университета», серия «Нефть и газ» №1 (4) 2004 г.), принятая авторами за прототип.
Устройство состоит из полого корпуса со сквозным осевым каналом и кольцевым выступом в средней части, седла с осевым каналом, на которое опирается торцевой клапан опорной гайки. В осевом канале седла установлен подпружиненный толкатель с насадкой. Полый шток снабжен кольцевым выступом и опирается на пружину, поджимаемую гайкой. Полый корпус снабжен присоединительными резьбами на наружной поверхности для подсоединения к скважине и насосному агрегату,
Пульсатор способен накладывать импульсы расхода и давления на поток прокачиваемой технологической жидкости, например жидкость для обработки призабойной зоны скважины.
Устройство работает следующим образом: оно устанавливается на устье скважины и обвязывается с арматурой скважины и через манифольд с насосным агрегатом. Сменная насадка устанавливается в осевом канале толкателя из расчета пропуска через нее части объема технологической жидкости от общего объема перекачиваемой через манифольд насосными агрегатами.
При увеличении перепада на сменной насадке толкатель перемещается относительно седла и входит в торцевое взаимодействие с торцовым клапаном. Преодолевая сопротивление пружины, последний выходит из торцевого взаимодействия с седлом с образованием гидравлической связи полости над седлом, с осевым каналом полого корпуса. Технологическая жидкость с увеличенным расходом поступает в скважину с генерацией волнового процесса.
Толкатель усилием сжатой пружины возвращается в исходное положение. Перепад давления, при котором произошло открытие торцевого клапана, снижается и он усилием сжатой пружины возвращается на седло с прекращением гидравлической связи с полостью скважины.
Недостатки конструкции.
Устройство устанавливается в составе муфтовой колонны труб с расположением на расчетной глубине. При подаче рабочей жидкости через устройство на поток накладываются гидродинамические импульсы расхода и давления. При этом сложно осуществить настройку на заданный технологический режим. Это связано с тем, что на процесс закрытия торцевого клапана оказывает влияние как конструктивные параметры - глубина залегания продуктивного пласта скважины - диаметры труб обсадной и лифтовой колонн, так и технологические, такие как газовый фактор, обводненность, вязкость и температура пластового флюида и т.д.
При работе нескольких скважин на один промысловый коллектор необходимо также учитывать его технологические параметры - давление, наличие пульсаций.
При остановке подачи избыточного давления со стороны толкателя существуют условия, при которых подпружиненный торцевой клапан с полым штоком воздействует на седло и оно может вместе с толкателем переместиться в осевом канале полого корпуса, это, в свою очередь, приводит к прекращению функционирования устройства.
Наличие постоянной гидравлической связи полости скважины через сменную насадку с осевым каналом лифтовой колонны труб может привести к выбросу из скважины при остановке подачи рабочей жидкости.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится следующему:
- возможность применения устройства в составе устьевой арматуры при проведении технологических операций, связанных с обработкой призабойной зоны скважины;
- возможность изменения частоты пульсаций и амплитуды без остановки технологического процесса;
- возможность изоляции зоны высокого давления скважины от манифольда после прекращения подачи рабочей жидкости.
Технический результат достигается тем, что в полом корпусе пульсатора установлено седло с продольными пазами на внешней стороне, подпружиненный толкатель с кольцевым выступом и сменной насадкой в осевом канале, подпружиненный торцовый клапан с полым штоком, охватывающим толкатель, образующим с полым корпусом кольцевую камеру. В осевом канале полого корпуса дополнительно установлена опорная втулка, снабженная продольными пазами на внешней стороне. Толкатель снабжен торцовым клапаном и установлен с возможностью взаимодействия с опорной втулкой. Сменная насадка снабжена перфорированной клеткой с подпружиненным обратным клапаном. Полый корпус снабжен регулятором частоты, включающим корпус с втулкой регулировочной, охватывающим полый шток, с образованием между ними подвижного соединения. При этом втулка регулировочная снабжена кольцевой проточкой, корпус снабжен продольными сквозными пазами и втулкой регулировочной с накидной гайкой, связанных друг с другом с возможностью фиксации между ними скользящих шпонок, установленных с возможностью прохода через продольные сквозные пазы в теле полого корпуса, с образованием связи со стаканом, установленным в осевом канале корпуса с возможностью охвата полого штока. Стакан снабжен кольцевой проточкой и образует со скользящими шпонками кинематическую связь. Полый шток пропущен за пределы стакана и опирается на пружину, установленную в осевом канале нижнего переходника, жестко связанного с корпусом.
Анализ технических решений, проведенный для оценки изобретательского уровня, показал, что известна конструкция гидравлического вибратора (см. а.с. №817219 М Кл. 3 E21B 43/00, опубл. 30.03.1981 г., бюл. №12), вибратор закрепляется между муфтами. В корпусе вибратора размещена подвижная муфта, а с посадочным седлом под запорный орган - шар, которая соединена со втулкой кольцами, охватываемыми стопорной втулкой и под которой установлена пружина. При посадке шара на седло в осевом канале лифтовой колонны труб создается избыточное давление. Муфта с посадочным седлом и шаром перемещается вдоль окон, при открытии которых создается гидравлический удар и сжимает пружину.
Существует конструкция дросселя гидравлического (каталог оборудования Воронежского механического завода, с.20), в котором для изменения параметров потока рабочей среды осуществляют изменение живого сечения канала штуцера.
Устройство состоит из корпуса, сменной втулки, седла, затвора, фиксаторов, привода гидравлического с конической насадкой на конусе.
Известна конструкция устьевого механического вибратора (см. «Разведочное бурение на суше и континентальном шельфе России». Сборник научных трудов, вып.14, ОАО НПО «Бурение», г.Краснодар, 2005 г., с.159-162).
Устройство состоит из полого разъемного корпуса, части которого соединены муфтой, с полостями, разделенными перегородкой с осевым каналом и циркуляционными отверстиями. В осевом канале установлена воронка с шаром. В осевом канале последовательно установлены диффузор, седло.
Нижняя часть разъемного корпуса снабжена переходником и регулировочной гайкой.
В осевом канале корпуса размещена цилиндрическая втулка, жестко связанная фиксатором с регулировочной гайкой. Шток установлен внутри полой цилиндрической втулки с опорой на пружину через шайбу. Изменяя положение регулировочной гайки и связанной с ней цилиндрической втулки, возможно изменять усилие пружины и поджим шара к седлу для изменении частоты пульсаций.
Конструкция устройства поясняется нижеследующими чертежами, где:
- на фиг.1 устройство в разрезе, в исходном положении;
- на фиг.2 взаимное положение деталей устройства в режиме подачи рабочей жидкости и генерации импульсов расхода и давления;
- на фиг.3 конструкция устройства при перенастройке на новый технологический режим генерации импульсов.
Заявляемое устройство состоит из полого корпуса 1, в котором последовательно установлены опорная втулка 2 с осевым каналом 3 и продольными пазами 4 на внешней поверхности. Ниже расположено седло 5 с продольными пазами 6 на наружной поверхности, в осевой канал которого пропущен верхний конец толкателя 7, снабженного тарельчатым клапаном 8, поджимаемым пружиной 9 к посадочной поверхности опорной втулки 2, при опоре на торец седла 5. В осевом канале 10 толкателя 7 установлена сменная насадка 11 с перфорированной клеткой 12 обратного клапана 13, поджимаемого к ее торцу пружиной 14. К седлу 5 с внешней стороны пружиной 15 поджимается торцевой клапан 16, снабженный полым штоком 17.
На нижнем конце полого корпуса 1 установлен корпус 18 регулятора частоты, в осевом канале которого установлен стакан 19, образующий подвижное соединение с штоком 17.
На наружной поверхности стакана 19 выполнена кольцевая проточка 20. В теле корпуса 18 выполнены, по крайне мере, два продольных паза 21, а снаружи на корпусе 18 выполнена резьба 22 и установлены втулка регулировочная 23, охватываемая гайкой накидной 24, между торцами которых закреплены шпонки 25, пропущенные через продольные пазы 21 корпуса 18, с выходом в кольцевую проточку 20 в теле стакана 19.
На нижнем конце корпуса 18 установлен переходник 26, в осевом канале которого установлена пружина 27, поджимаемая гайкой 28 к торцевой поверхности полого штока 17.
Полый корпус 1 в верхней части снабжен переводником 29. Кольцевой зазор между седлом 5 и толкателем 7 изолирован уплотнительным кольцом 30. Кольцевой зазор между стаканом 19 и корпусом 12 изолирован уплотнительными кольцами 31, а кольцевой зазор между стаканом 19 и полым штоком 17 изолирован уплотнительными кольцами 32.
Между опорной втулкой 2 и седлом 5 расположена кольцевая камера 33, постоянно гидравлически связанная через продольные пазы 4 опорной втулки 2 с осевым каналом переводника 29.
Кольцевая камера 34, образованная седлом 9 и стаканом 5 в корпусе 18 регулятора, гидравлически связана через продольные пазы 6 в седле 5 с кольцевой камерой 33.
Осевой канал 35 полого штока 17 постоянно гидравлически связан через осевой канал 36 переходника 26 с потребителем (скважиной).
Работа устройства.
Устройство в сборе устанавливается в составе подводящей магистрали на устье скважины.
Предварительно осуществляют настройку пружин 15 и 27 на расчетный перепад давления.
Сменная насадка 11 подбирается из расчета пропуска через дросселирующий канал части от суммарного расхода рабочей жидкости с возникновением расчетного перепада давления на толкателе 7, при котором последний выходит из взаимодействия с поверхностью опорной втулки 2 и перемещается в осевом канале седла 5 с воздействием на внутреннюю поверхность торцевого клапана 16.
При этом происходит сжатие пружины 9 и отрыв торцевого клапана 16 от седла 5 с образованием гидравлической связи кольцевой камеры 34 с осевым каналом 35 полого штока 17 сжатием пружин 15 и 27.
При отрыве торцевого клапана 16 от седла 5 на его внутреннюю торцевую поверхность действует перепад давления на несбалансированную площадь, что приводит к резкому перемещению торцевого клапана 16 с полым штоком 17 вниз относительно стакана 19 с еще большим сжатием пружин 15 и 27. Давление рабочей жидкости над и под толкателем 7 выравнивается усилием сжатой пружины 9, он возвращается в исходное положение с посадкой на поверхность опорной втулки 2. Обратный клапан 13 сменной насадки 11 открыт.
Перепад давления между осевым каналом переводника 29 и осевым каналом 36 переходника нижнего 26 выравнивается и усилием предварительно сжатых пружин 27 и 15 торцевой клапан 16 с полым штоком 17 возвращается в исходное положение с посадкой торцевого клапана 16 на седло 5 и прекращением гидравлической связи осевого канала 35 полого штока 17 с кольцевой камерой 34. Процесс повторяется в автоматическом режиме. При необходимости изменения частоты пульсации без извлечения устройства и состава устьевой обвязки останавливают кратковременно подачу рабочей жидкости, обратный клапан 13 перекрывает дросселирующий канал в сменной насадке 11.
Вращением гайки накидной 24 вместе с втулкой регулировочной 23 по резьбе 22 на наружной поверхности корпуса 26 вправо с перемещением шпонки 25 в продольном пазу 21 корпуса 18 и передачей осевого усилия на стакан 19 в месте взаимодействия с ним по кольцевой проточке 20 производят дополнительное сжатие пружины 15 и увеличивают поджим торцевого клапана 16 к седлу 5. Это приводит к росту необходимого осевого усилия, которое надо приложить, чтобы вывести из взаимодействия торцевой клапан 16 с седлом 5 при восприятии увеличенного перепада давления сечением тела толкателя 7. Жесткость пружин 15 и 27, поджимающих торцевой клапан 16 к седлу 5, и жесткость пружины 9, поджимающей толкатель 7 к посадочной поверхности опорной втулки 2, в сумме принимаются меньше, чем осевое усилие, создаваемое на площадь сечения толкателя 7 при расчетном перепаде давления. Необходимость установки двух пружин 15 и 27 для поджима торцевого клапана 16 к седлу 5 связана с обеспечением достаточно большого осевого усилия для поджатия торцевого клапана 16 к седлу 5 при малых диаметральных размерах устройства.
При прекращении подачи рабочей жидкости через устройство в скважину существует вероятность того, что в течение какого-то времени в скважине может быть избыточное давление.
Для предотвращения несанкционированного прохода рабочей жидкости из скважины наружу срабатывает обратный клапан 13, который пружиной 14 и избыточным давлением перекрывает дросселирующий канал сменной насадки 11. Поскольку клетка 12 обратного клапана 13 выполнена перфорированной, то она обладает очень малым гидравлическим сопротивлением и не мешает работе устройства.