УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОДУКТИВНЫЕ ПЛАСТЫ ВОДОНОСНЫХ И НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для виброволнового воздействия на продуктивные пласты и фильтры скважин, с целью интенсификации отбора нефти, газа, артезианской воды путем увеличения приемистости скважин, в том числе  импульсной закачки технологических жидкостей в пласт, но может быть использовано и в других отраслях.
Известен аналог – устройство виброволнового воздействия на призабойную зону нефтяного пласта,  патент РФ № 2572262, 10.01.2016, включающее стакан с косыми щелевидными прорезями, на котором с возможностью вращения размещен цилиндрический золотник с косыми щелевидными прорезями, выполненными в противоположном направлении относительно прорезей стакана, а в нижней части стакана выполнено донное проходное отверстие, отличающееся тем, что диаметр донного отверстия стакана составляет 0,79-0,81 от внутреннего диаметра стакана, причем в стакане размещен шар с возможностью его перемещения внутри стакана и перекрытия его донного отверстия, а шар выполнен со сквозными каналами в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.
Первым недостатком аналога является низкая надёжность, обусловленная применением шариковых опор и наличием вращающей детали снаружи корпуса. Вторым недостатком является недостаточная эффективность воздействия на пласт, обусловленная использованием только механизма цикличного колебания жидкости, без использования эффекта кавитации потока.
Известен аналог – кавитатор для подводной очистки закольматированных поверхностей твердых тел,  патент РФ № 2258130, 10.08.2005, состоящий из проточного канала с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно соединенными между собой входным конфузором, цилиндрическим каналом и выходным диффузором, отличающийся тем, что кавитатор находится внутри цилиндрической полости фильтра, закольматированного частицами горных пород, в цилиндрическом канале кавитатора смонтирован успокоитель потока жидкости в виде ячеистого тела, а входной диаметр выходного диффузора dд больше выходного диаметра цилиндрического канала d1.
Недостатком аналога при его использовании для виброволнового воздействия на продуктивные пласты и фильтра скважин является недостаточная эффективность воздействия на пласт, обусловленная использованием только эффекта кавитации потока, без использования механизма цикличного колебания жидкости.
Более близким аналогом к предлагаемому техническому решению является скважинный гидравлический вибратор – патент РФ № 2161237,  27.12.2000, выбранный в качестве прототипа предлагаемого технического решения, содержащий корпус и коаксиально установленные в корпусе на подшипниках ствол с щелевыми прорезями, выполненными под углом к образующей, и осевым каналом, и золотник с щелевыми прорезями, выполненными под углом к образующей и в противоположном направлении к щелевым прорезям ствола, отличающийся тем, что осевой канал в стволе выполнен в виде расширяющегося диффузорного сопла. Корпус снизу выполнен заглушенным и с радиальными отверстиями для выхода рабочей жидкости в затрубное пространство, при этом напротив радиальных отверстий установлен отражатель.
Первым недостатком является недостаточная эффективность воздействия на пласт, обусловленная использованием только механизма цикличного колебания жидкости, без использования эффекта кавитации потока. Вторым недостатком аналога являются низкая надёжность, обусловленная наличием двух вращающихся деталей в корпусе.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении совмещения механизма цикличного колебания жидкости  и использования эффекта кавитации потока жидкости при воздействии на продуктивные пласты и фильтра скважин.
Решение технической задачи в устройстве для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин, содержащем корпус в виде цилиндра с щелевидными прорезями от наружной к внутренней цилиндрической поверхности корпуса, которые направлены под углом к нормали наружной поверхности корпуса, соосно установленную в корпус роторную втулку с щелевидными прорезями от наружной к внутренней цилиндрической поверхности роторной втулки, которые направлены под углом к нормали наружной поверхности роторной втулки, щелевидные прорези втулки и корпуса в фазе поворота роторной втулки, в которой они совмещены, расположены под острым или близким к 90 º углом друг к другу, осевой канал с соплом, радиальные отверстия в нижней части устройства для выхода рабочей жидкости в затрубное пространство, конический отражатель, установленный в месте расположения радиальных отверстий соосно с корпусом, достигается тем, что сопло осевого канала расположено в нижней части роторной втулки и имеет источник колебаний, представляющий из себя расположенные на внутренней поверхности сопла чередующиеся выполненные по винтовой линии выступы и впадины, ниже сопла в неподвижной части устройства расположена расширительная камера, которая связана с радиальными отверстиями расположенным соосно корпусу диффузором, расширительная камера дополнительно связана с полостью диффузора соединительными каналами, причем кавитатор, включающий расширительную камеру, диффузор, соединительные каналы, конический отражатель и радиальные отверстия, выполнен отсоединяемым от корпуса.
Количество щелевых прорезей роторной втулки может быть на одну меньше количества щелевых прорезей корпуса.
Щелевые прорези корпуса могут быть выполнены с углом раскрытия 20-25 градусов.
В качестве подшипников роторной втулки могут использоваться композитные самосмазывающиеся втулки скольжения.
На фиг.1 изображён вид сбоку в разрезе устройства для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин.
На фиг.2 изображено сечение устройства для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин в месте расположения щелевидных прорезей в корпусе и роторной втулке в фазе поворота роторной втулки, в которой их щелевые прорези совмещены.
На фиг.3 изображён вид сбоку в разрезе сопла устройства для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин.
На фиг.4 изображён вид сбоку в разрезе устройства для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин с отсоединённым кавитатором и установленной вместо него насадкой с сопловидными отверстиями.
На фиг.5 изображена насадка снизу.
Устройство для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин содержит корпус 1 в виде цилиндра с щелевидными прорезями 2 от наружной 3 к внутренней 4 цилиндрической поверхности корпуса, которые направлены под углом α к нормали 5 наружной поверхности 3 корпуса 1, соосно установленную в корпус роторную втулку 7 с щелевидными прорезями 8 от наружной 9 к внутренней 10 цилиндрической поверхности роторной втулки 7, которые направлены под углом β к нормали 11 наружной поверхности 9 роторной втулки 7, щелевидные прорези роторной втулки 7 и корпуса 1 в фазе поворота роторной втулки 7, в которой они совмещены, расположены под острым или близким к 90 º углом δ друг к другу, осевой канал 12 с соплом 13, радиальные отверстия 14 в нижней части устройства для выхода рабочей жидкости в затрубное пространство, конический отражатель 15,  установленный в месте расположения радиальных отверстий 14 соосно с корпусом 1, сопло 13 осевого канала 12 расположено в нижней части роторной втулки 7 и имеет источник колебаний, представляющий из себя расположенные на внутренней поверхности отверстия сопла 13 чередующиеся выполненные по винтовой линии выступы 16 и впадины 17, ниже сопла 13 в неподвижной части устройства расположена расширительная камера 18, которая связана с радиальными отверстиями 14 расположенным соосно корпусу 1 диффузором 19, расширительная камера 18 дополнительно связана с полостью диффузора 19 соединительными каналами 20, причем кавитатор 21, включающий расширительную камеру 18, диффузор 19, соединительные каналы 20, конический отражатель 15 и радиальные отверстия 14, выполнен отсоединяемым от корпуса 1.
0
R
K
K
R
Рассмотрим пример конкретной реализации устройства для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин. Детали устройства изготавливаются точением и фрезерованием из нержавеющей (легированной) стали. Корпус 1 в верхней части соединен с переходником 22, имеющим резьбу 23 для присоединения устройства к койлтюбинговой трубе. Роторная втулка 7 установлена в корпус 1 на композитные самосмазывающиеся втулках скольжения 24, стандартного номенклатурного ряда. Зазоры между корпусом 1 и роторной втулкой 7 герметизированы уплотнениями из фторопластовой композиции 25, предотвращающими утечки рабочей жидкости через подшипники скольжения 24. Щелевидные прорези 2 корпуса 1 от наружной 3 к внутреннеей 4 цилиндрической поверхности корпуса 1 направлены под углом α =20º к нормали 5 наружной поверхности 3 корпуса 1.  Щелевидные прорези 8 роторной втулки 7 от наружной 9 к внутренней 10 цилиндрической поверхности роторной втулки 7 направлены под углом β=20º к нормали 11 наружной поверхности 9 роторной втулки 7. Щелевидные прорези роторной втулки 7 и корпуса 1 в фазе поворота роторной втулки 7, в которой щелевидные прорези совмещены, расположены под углом δ=100º друг к другу. Углы α, β, δ выбраны конструктивно и зависят от остальных размеров деталей устройства. Размер А завсит от параметров используемой жидкости. Угол β  обеспечивает вращение роторной втулки за счет реакции вытекающего из неё потока жидкости. Наличие угла δ обеспечивает резкий разворот потока жидкости, вызывающий пульсацию потока. Роторная втулка 7 имеет три щелевидных прорезей 8, корпус 1 имеет четыре щелевидных прорезей 2. Количество щелевых прорезей роторной втулки выполнено на одну меньше количества щелевых прорезей корпуса для обеспечения запуска вращения роторной втулки 7 потоком жидкости из любого положения роторной втулки 7. Боковые стенки щелевидных прорезей корпуса 1 и роторной втулки выполнены под углом λ = 20.  Площадь щелевидных прорезей 8 роторной втулки 7 S меньше площади щелевидных прорезей корпуса 1 S, при этом отношение S/S составляет величину 2,5. Кавитатор 21 установлен в корпус 1 на резьбе. Внутренний канал сопла 13 имеет источник ультразвуковых колебаний в виде чередующихся выступов 16 и впадин 17, выполненных по винтовой линии с помощью резьбонарезного инструмента.  Диффузор 19 кавитатора 21 имеет угол раскрытия 45є. Радиальные отверстия 14 выполнены в виде прямоугольных окон со скругленными краями и обрабатываются фрезерованием.
0
Рассмотрим пример работы устройства для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин. Устройство монтируют на койлтюбинговую трубу с помощью резьбового соединения 23 переходника 22, установленного в верхней части корпуса 1, и спускают в скважину непосредственно до глубины расположения продуктивных пластов и скважинных фильтров. С помощью насосного агрегата создают необходимый расход технологической жидкости в трубном пространстве колтюбинговой трубы. Жидкость попадает во внутреннюю полость роторной втулки 7 и истекает через её шелевидные прорези 8. Благодаря наличию угла β отклонения щелевидных прорезей 8 от нормали 11 к наружной поверхности 9 роторной втулки 7 поток жидкости раскручивает роторную втулку 7, после чего вытекает из устройства через щелевидные прорези 2 корпуса 1. Так как щелевидные прорези роторной втулки 7 и корпуса 1 выполнены под углом δ=100º друг к другу, то поток жидкости резко меняет свое направление при переходе  из щелевидных прорезей 8 роторной втулки 7 в щелевые прорези 2 корпуса 1 и при вращении роторной втулки 7 генерирует цикличное колебание давления потока жидкости, передающееся после истечения потока из устройства в пласт. В сопле 13 установленном в нижней части роторной втулки 7 гидростатическое давление потока жидкости уменьшается, а на срезе сопла 13 в расширительной камере 18 происходит резкое расширение потока жидкости с возникновением кавитации. Наличие в отверстии сопла 13 источника ультразвуковых колебаний в виде чередования выступов 16 и впадин 17 способствует улучшению условий для возникновения кавитации. Наличие соединительных каналов 20 способствует снижению давления в расширительной камере 18, что тоже способствует улучшению условий для возникновения кавитации. Расширяясь в диффузоре 19 с углом раскрытия 45 поток жидкости попадает на рассекатель потока, выполненный в виде конуса 15, и истекает в трубное пространство через радиальные отверстия 14. Основная масса газопаровых пузырьков, являющихся следствием кавитации потока, переносится вытекающим из радиальных отверстий 14 потоком и образует зону их скопления, на которую оказывает воздействие волны давления, истекающие из щелевидных прорезей 2 корпуса 1. При этом схлопывание пузырьков приводит к дополнительной генерации колебаний жидкости на продуктивные пласты и фильтра скважин.
При эксплуатации устройства есть возможность демонтировать кавитатор 21 и установить вместо него насадку 26, как показано на рисунке 4. Насадка 26 позволяет использовать в качестве рабочего агента как  технологическую жидкость так и взрывобезопасную газовую смесь на основе газообразного азота при проведении технологических операций с помощью колтюбинговой установки.
Достижение технического результата в устройстве для виброволнового воздействия на продуктивные пласты водоносных и нефтегазовых скважин осуществляется благодаря тому, что
- сопло осевого канала расположено в нижней части роторной втулки и имеет источник колебаний, представляющий из себя расположенное на внутренней поверхности сопла чередование выступов и впадин выполненное по винтовой линии, за счет чего обеспечивается более ранняя кавитация потока,
- ниже сопла в неподвижной части устройства расположена расширительная камера, которая обеспечивает расширение потока и возникновение кавитации,
- расширительная камера связана с радиальными отверстиями расположенным соосно корпусу диффузором, кроме этого расширительная камера дополнительно сообщена с полостью диффузора соединительными каналами, за счет чего снижается давление в расширительной камере и улучшаются условия для возникновения кавитации потока.
Дополнительным преимуществом технического решения является то, что кавитатор выполнен отсоединяемым от корпуса для установки вместо него насадки, которая позволяет использовать как технологическую жидкость так и взрывобезопасную газовую смесь на основе газообразного азота при проведении технологических операций с помощью колтюбинговой установки.