УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ СТЕНОК СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR PULSE TREATMENT OF WELL WALLS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для восстановления проницаемости стенок скважины промывкой, в частности, может найти применение при обработке стенок открытого ствола горизонтальной скважины импульсной закачкой жидкости.
Известно устройство для импульсной закачки жидкости в пласт (патент RU №2531954, МПК Е21В 43/18, опубл. 27.10.2014 г. в бюл. №30), включающее корпус, 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.
Недостатки данного устройства:
- во-первых, низкая эффективность работы, обусловленная тем, что расстояние от отверстия истечения струи до стенок скважины является неизменным и в таком положении невозможно обеспечить эффективное воздействие струей жидкости с целью разрушения породы в открытом стволе скважины;
- во-вторых, низкое качество обработки стенок скважины, так как устройство не имеет возможности вращения и поэтому не позволяет произвести обработку стенок скважины по всему периметру;
- в-третьих, ограниченные технологические возможности, связанные с ориентацией устройства в скважине, поскольку струя жидкости направлена только на забой скважины и конструктивно не позволяет изменять направление истечения струи для проведения обработки стенок скважины.
Также известно устройство для обработки стенок скважины (авторское свидетельство SU №1736223, МПК Е21В 37/02, опубл. 10.11.1995 г. в бюл. №31), включающее цилиндрический полый корпус с элементом для связи со средством доставки в скважину, с размещенным в стенке корпуса сквозным радиальным патрубком с камерой завихрения и тангенциальными отверстиями, выполненными в стенках патрубка с возможностью сообщения камеры завихрения с полостью корпуса, для эффективного удаления отработанной породы из перфорационных каналов, радиальный патрубок выполнен с возможностью осевого перемещения за счет изменения давления рабочей жидкости и подпружинен относительно стенки корпуса, причем внутри полого корпуса аксиально размещена глухая труба с радиальными отверстиями, в которых одним концом установлены патрубки, а открытый конец глухой трубы сообщен с пространством за корпусом.
Недостатки данного устройства:
- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей, и металлоемкость;
во-вторых, низкая эффективность работы, обусловленная тем, что расстояние от отверстия истечения струи до стенок скважины является неизменным и в таком положении невозможно обеспечить качественное воздействие струей жидкости с целью разрушения породы в открытом стволе скважины;
- в-третьих, низкое качество обработки скважины, связанное с тем, что устройство не позволяет создавать импульсы давления, позволяющие эффективно обработать стенки добывающей скважины, например, в открытом стволе скважины за счет более глубокого проникновения струи жидкости в породу.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является промывочное устройство (патент RU №2529460, Е21В 37/00, опубл. 27.09.2014, бюл. №27), содержащее корпус с каналом для подвода жидкости, цилиндр с гидравлической камерой и тангенциально направленными каналами, корпус снабжен присоединительным ниппелем с донышком в осевом канале со сквозным отверстием с пазами на внутренней поверхности, перпендикулярно оси которого в корпусе выполнена цилиндрическая расточка, в которой размещен стакан с насадкой и крышкой, перекрытая днищем, в котором закреплена дренажная трубка, снабженная выступом и радиальными отверстиями, выполненными с возможностью обеспечения гидравлической связи продольных каналов на крышке с осевым каналом дренажной трубки в исходном положении, причем стакан образует кольцевую камеру с дренажной трубкой, в которой размещена пружина с опорой на выступ, цилиндр жестко связан с присоединительным ниппелем, снабженным переходником с кольцевым выступом и стопорной гайкой, а переходник снабжен продольными пазами и перепускными отверстиями, соединяющими кольцевую камеру цилиндра с его осевым каналом, в котором установлены  подпружиненный относительно донышка поршень и фиксаторы, поджимаемые пружинным кольцом с внешней стороны переходника.
Недостатки устройства:
- во-первых, низкая надежность работы, обусловленная наличием двух пружин сжатия в конструкции устройства, постоянно воспринимающих знакопеременные нагрузки в процессе промывки скважины, что приводит к высокой вероятности поломки одной или обеих пружин сжатия одновременно и, как следствие, выходу из строя устройства, причем в случае поломки пружины, находящейся под поршнем, жидкость не попадает в тангенциальные каналы и, минуя гидравлическую камеру, напрямую поступает в цилиндрическую расточку устройства, и как следствие устройство перестает вращаться и выполнять свои функции.
- во-вторых, низкая эффективность обработки стенок скважины, связанная со стационарной закачкой жидкости с вращением, при этом отсутствуют импульсы давления, позволяющие эффективно обработать стенки добывающей скважины, например, в открытом стволе скважины за счет более глубокого проникновения струи жидкости в породу;
- в-третьих, для того чтобы устройство работало, необходимо регулировать давление  закачки жидкости (увеличивать и уменьшать) по колонне гибких труб в устройство, так как в процессе работы давление жидкости сначала принимается меньше необходимого для обработки стенок скважины, но достаточным, чтобы привести во вращение цилиндр с корпусом, затем давление рабочей жидкости поднимают до максимально возможного для обработки стенки скважины.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы устройства и повышение эффективности обработки стенок в открытом стволе скважины, а также исключение регулировки (увеличения и уменьшения) давления закачки жидкости с устья скважины в процессе работы устройства
Поставленная задача решается устройством для импульсной обработки стенок скважины, включающим корпус с днищем, жестко соединенный сверху с цилиндром, концентрично установленный в цилиндре переходник с проходным каналом внутри и гидравлической камерой снаружи, цилиндрическую расточку, выполненную в корпусе, стакан с насадкой и крышкой, размещенные в цилиндрической расточке с образованием продольных каналов, в корпусе внутри стакана с насадкой осесимметрично установлена дренажная трубка с выступом и радиальными отверстиями, выполненными с возможностью обеспечения гидравлической связи продольных каналов с гидравлической камерой, дренажная трубка жестко закреплена к днищу корпуса болтом, стакан образует кольцевую камеру с дренажной трубкой, в которой размещена пружина с опорой на выступ.
Новым является то, что переходник снабжен нижним и верхним рядами радиальных отверстий, а также обратным клапаном, пропускающим снизу вверх, расположенным в проходном канале переходника между нижним и верхним рядами радиальных отверстий, причем в гидравлической камере на внутренней поверхности цилиндра тангенциально размещены лопатки, позволяющие цилиндру вращаться совместно с корпусом относительно переходника под действием давления жидкости, при этом цилиндр оснащен зубцами, выполненными снаружи верхнего ряда радиальных отверстий, причем зубцы цилиндра имеют возможность частичного перекрытия снаружи проходного сечения верхнего ряда радиальных отверстий переходника, причем при полностью открытом проходном сечении верхнего ряда радиальных отверстий переходника под действием избыточного давления в проходном канале цилиндрической расточки корпуса стакан с насадкой и крышкой выдвигаются радиально наружу относительно дренажной трубки и создается импульс струи жидкости, воздействующий на стенки скважины, а при частично перекрытом зубцами цилиндра проходном сечении верхнего ряда радиальных отверстий переходника избыточное давление в проходном канале цилиндрической расточки корпуса снижается, стакан с насадкой и крышкой под действием возвратной силы пружины возвращаются в исходное положение относительно дренажной трубки.
На фиг. 1 и 2 изображено предлагаемое устройство для импульсной обработки стенок скважины в процессе работы.
На фиг. 3 изображено сечение А-А устройства.
На фиг. 4 изображен частично перекрытый зубцами цилиндра верхний ряд радиальных отверстий в процессе работы устройства.
На фиг. 5 изображен полностью открытый верхний ряд радиальных отверстий переходника в процессе работы устройства.
Устройство для импульсной промывки скважины включает корпус 1 (см. фиг. 1) с днищем 2. К корпусу 1 сверху жестко присоединен цилиндр 3, например, с помощью сварного соединения (на фиг. 1, 2, 3 не показано). В цилиндре 3 (см. фиг. 1) концентрично установлен  переходник 4 с проходным каналом 5 внутри и гидравлической камерой 6 снаружи. В корпусе 1 выполнена цилиндрическая расточка 7.
Стакан 8 (см. фиг. 1, 2 и 3) с насадкой 9 и крышкой 10 размещены в цилиндрической расточке 7 с образованием продольных каналов 11. В корпусе 1 внутри стакана 8 с насадкой 9 осесимметрично установлена дренажная трубка 12 с выступом 13 и радиальными отверстиями 14, выполненными с возможностью обеспечения гидравлической связи продольных каналов 11 с гидравлической камерой 6.
Дренажная трубка 12 жестко закреплена к днищу 2 корпуса 1 болтом 15.
Стакан 8 образует кольцевую камеру 16 с дренажной трубкой 12, в которой размещена пружина 17 с опорой на выступ 13.
Переходник 4 снабжен нижним 18 и верхним 19 рядами радиальных отверстий, а также обратным клапаном 20, пропускающим снизу вверх, расположенным в проходном канале 5 переходника 4 между нижним 18 и верхним 19 рядами радиальных отверстий.
н
в
С целью беспрепятственного вращения цилиндра 3 с корпусом 1 относительно переходника 4 площади поперечного сечения (S) нижнего ряда радиальных отверстий 18 переходника 4 и поперечного сечения (S) верхнего ряда радиальных отверстий 19 переходника 4 должны быть равными:
1
где n - количество радиальных отверстий 18 в нижнем ряду переходника 4, шт.;
2
n - количество радиальных отверстий 19 в верхнем ряду переходника 4, шт.;
1
1
d - диаметр одного радиального отверстия 18, м, примем d=8 мм=0,01 м;
2
1
d - диаметр одного радиального отверстия 19, м; примем d=8 мм=0,008 м, подставляя числовые значения в неравенство 1, получим
1
2
Таким образом, как в нижнем ряду 18, так и верхнем ряду 19 выполняют по восемь радиальных отверстий диаметром: d=d=8 мм = 0,008 м с углом 45° между отверстиями.
В гидравлической камере 6 на внутренней поверхности цилиндра 3 тангенциально размещены лопатки 21, позволяющие цилиндру 3 вращаться совместно с корпусом 1 относительно переходника 4 под действием давления жидкости. Цилиндр 3 оснащен зубцами 22, выполненными снаружи верхнего ряда радиальных отверстий 19.
в
в
Благодаря зубцам 22 (см. фиг. 4) цилиндр 3 имеет возможность частичного перекрытия снаружи проходного сечения (S) верхнего ряда радиальных отверстий 19 переходника 4 либо полного открытия проходного сечения (S) верхнего ряда радиальных отверстий 19 (см. фиг. 5) переходника 4, зубцы 22 цилиндра 3 радиально смещены (см. фиг. 5) относительно верхнего ряда радиальных отверстий 19.
в
При полном открытии проходного сечения (S) верхнего ряда радиальных отверстий 19 (см. фиг. 5) переходника 4 зубцы 22 цилиндра 3 радиально смещены (см. фиг. 5) относительно верхнего ряда радиальных отверстий 19, поэтому в проходном канале 11 цилиндрической расточки 7 корпуса 1 создается избыточное давление, достаточное для выдвижения радиально наружу стакана 8 с насадкой 9 и крышкой 10 относительно дренажной трубки 12 и создается импульс струи жидкости, воздействующий на стенки скважины.
в
При частично перекрытом проходном сечении, например (0,1·S), верхнего ряда радиальных отверстий 19 переходника 4, избыточное давление в проходном канале 11 цилиндрической расточки 7 корпуса 1 снижается и стакан 8 с насадкой 9 и крышкой 10 под действием возвратной силы пружины 17 в приемной камере 16 возвращаются в исходное положение относительно дренажной трубки 12.
Сопрягаемые поверхности деталей снабжены уплотнительными кольцами (на фиг. 1 - 5 показаны условно).
Устройство работает следующим образом.
Устройство в сборе, как показано на фиг. 1, на конце колонны гибких труб (на фиг. 1 - 5 не показано) спускают в скважину в интервал обработки открытого ствола с целью воздействия на стенки скважины.
В процессе спуска устройства в скважину колонна гибких труб через проходной канал 5 (см. фиг. 1) переходника 4 благодаря обратному клапану 20, пропускающему снизу вверх,  заполняется скважинной жидкостью.
После спуска устройства в интервал обработки стенок скважины с устья скважины  насосом (на фиг. 1, 2, 3, 4, 5 не показано), например, с помощью цементировочного агрегата ЦА-320 начинают закачку любой известной жидкости в устройство по колонне гибких труб, например, в качестве жидкости используют 15%-ный водный раствор соляной кислоты для импульсной обработки стенок ствола скважины.
Поток жидкости по колонне труб достигает устройства и сверху по проходному каналу 5 (см. фиг. 1) переходника 4 через верхний ряд радиальных отверстий 19 переходника 4 попадает в гидравлическую камеру 6, где воздействует на тангенциально размещенные на внутренние поверхности корпуса 1 лопатки 21, что приводит к вращению цилиндра 3 с корпусом 1 относительно штока переходника 4. Из гидравлической камеры 6 поток жидкости через нижний ряд радиальных отверстий 18 переходника 4 и проходной канал 5 переходника 4 через цилиндрическую расточку 7 корпуса 1 попадает в продольный канал 11 корпуса 1.
В результате получается устройство турбинного типа, состоящее из направляющего аппарата - переходника 4 и рабочего колеса - цилиндра 3 с корпусом 1.
Выполнение тангенциальных лопаток 21 на внутренней поверхности цилиндра, а также размещение обратного клапана 20 в проходном канале 5 переходника 4, разделяющего верхний 19 и нижний 18 ряды радиальных отверстий переходника 4, позволяет направить поток жидкости на тангенциальные лопатки 21, приводящие во вращение как цилиндр 3, так и корпус 1 устройства относительно переходника 4, что в сравнении с прототипом позволяет исключить из конструкции устройства подпружиненный поршень, выполняющий циклические возвратно-поступательные перемещения, а также пружину, воспринимающую циклическую знакопеременную нагрузку, ведущую к ее поломке и выходу устройства из строя, что позволяет повысить надежность работы устройства и увеличить период работы устройства до отказа.
в
в
в
В начальном положении верхний ряд радиальных отверстий 19 частично перекрыт зубцами 22 цилиндра 3 (см. фиг. 1 и 4), при этом площадь поперечного сечения (S) верхнего ряда радиальных отверстий 19 составляет, как указано выше (0,1·S), поэтому избыточное  давление увеличивается только в проходном канале 5 переходника 4 выше обратного клапана 20, а давления, создаваемого потоком закачиваемой жидкости через верхний ряд радиальных отверстий 19 площадью поперечного сечения (0,1·S) в гидравлической камере 6, достаточно только для воздействия на тангенциальные лопатки 21 и приведения во вращение цилиндра 3 с корпусом 1 относительно переходника 4, при этом этот поток жидкости в продольном канале 11 цилиндрической расточки 7 корпуса 1 не может создать избыточное давление, достаточное для сжатия пружины 17 в приемной камере 16 для радиального выдвижения насадки 9 со стаканом 8 и крышкой 10 относительно дренажной трубки 12 и импульсного воздействия на стенки скважины струей жидкости, т.е. устройство (корпус 1 с цилиндром 3) вращается на конце колонны гибких труб, но импульсное воздействие струи жидкости на стенки скважины не осуществляется.
в
Корпус 1 с цилиндром 3 продолжают вращаться, при этом цилиндр 3 (см. фиг. 2 и 5) за счет вращения радиально смещается относительно переходника 4, зубцы 22 смещаются относительно верхнего ряда радиальных отверстий 19, и полностью открывается верхний ряд радиальных отверстий 19 переходника 4, что соответствует площади поперечного сечения (S) верхнего ряда радиальных отверстий 19 переходника 4.
в
В результате увеличивается поток жидкости, поступающий через верхний ряд радиальных отверстий 19 площадью поперечного сечения (S) в гидравлическую камеру 6, при этом избыточное давление в проходном канале 5 переходника 4 выше обратного клапана 20 снижается и поток жидкости, воздействуя на тангенциальные лопатки 20 и приводя во вращение цилиндр 3 с корпусом 1 относительно переходника 4, опускается вниз и из гидравлической камеры 6 поток жидкости через нижний ряд радиальных отверстий 18 переходника 4 и проходной канал 5 переходника 4 через цилиндрическую расточку 7 корпуса 1 попадает в продольный канал 11 корпуса 1 и через радиальные отверстия 14 попадает в дренажную трубку 12. Кроме того, поток жидкости создает избыточное давление в продольном канале 11 корпуса 1, достаточное для сжатия пружины 17 в приемной камере 16, при этом происходит радиальное выдвижение, например, на 7 см = 0,07 м насадки 9 со стаканом 8 и крышкой 10 относительно дренажной трубки 12 (см. фиг. 2 и 3) к стенкам скважины (на фиг. 1 -   5 не показано).
3
3
В итоге происходит импульсное воздействие струей жидкости через отверстия 23 (см. фиг. 2) насадки 8 с диаметром отверстий d в непосредственной близости к стенкам скважины, например, в насадке 8 по окружности выполнено шесть отверстий 23 диаметром: d=0,03 мм = 3 мм. Величина радиального выдвижения насадки 9 (см. фиг. 1 и 2) из корпуса 1 устройства ограничивается диаметром обрабатываемого ствола скважины и подбирается в зависимости от диаметра ствола скважины.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет повысить эффективность обработки стенок скважины за счет возможности не только вращения устройства при обработке стенок скважины, но и создания импульсов давления струей жидкости в пульсирующем режиме с радиальным выдвижением насадки 9 со стаканом 8 и крышкой 8 путем сжатия пружины 17 в приемной камере 16 относительно дренажной трубки 12 к стенке обрабатываемой скважины в период импульса и радиального смещения внутрь в период затухания импульса струи жидкости за счет возвратной силы пружины 17 в приемной камере 16 насадки 9 со стаканом 8 и крышкой 10 относительно дренажной трубки 12 при продолжающемся вращении устройства.
в
Корпус 1 с цилиндром 3 продолжают вращаться, при этом цилиндр 3 (см. фиг. 2 и 5) за счет вращения радиально смещается относительно переходника 4 и зубцы 22 цилиндра 3 смещаются относительно верхнего ряда радиальных отверстий 19 (см. фиг. 4) и вновь частично перекрывают на величину (0,1·S) проходное сечение верхнего ряда радиальных отверстий 19 переходника 4, при этом избыточное давление в проходном канале 11 цилиндрической расточки 7 корпуса 1 снижается, стакан 9 с насадкой 8 и крышкой 11 под действием возвратной силы пружины 17 возвращаются в исходное положение, т.е. смещаются внутрь на 0,07 м относительно дренажной трубки 12 (см. фиг. 1).
В дальнейшем вышеописанный цикл повторяется, и устройство создает мгновенные импульсы давления с высокой интенсивностью и глубиной обработки стенок скважины.
Предлагаемое устройство менее требовательно в обслуживании в сравнении с прототипом, так как исключает регулирование работы устройства с устья скважины путем увеличения и уменьшения давления закачки насосным агрегатом.
в
в
В конструкции предлагаемого устройства верхний ряд радиальных отверстий 19 переходника 4 имеет возможность частичного перекрытия (0,1·S) и полного открытия (S) снаружи зубцами 22 цилиндра 3 без изменения давления закачки на устье скважины при вращающемся цилиндре с корпусом относительно переходника.
Предлагаемое устройство имеет конструкцию, позволяющую:
- повысить надежность работы устройства;
- повысить эффективность обработки стенок в открытом стволе скважины;
- исключить регулировку (увеличение и уменьшение) давления закачки жидкости с устья скважины в процессе работы устройства.