ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПУЛЬСАТОР
HYDRAULIC PULSER

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может найти применение при эксплуатации фонтанных скважин с переменным режимом добычи или для воздействия на призабойную зону скважины с увеличением ее проницаемости и приемистости пласта. Известен гидравлический вибратор [1], предназначенный для создания гидравлического удара и воздействия на призабойную зону пласта.
Вибратор состоит из корпуса с окнами, с размещенной в нем подвижной муфтой с посадочным седлом под запорный орган-шар. Подвижная муфта соединена через пальцы с втулкой, которая в свою очередь снабжена стопорной втулкой. Втулка опирается на пружину сжатия.
Недостатки:
- устройство выполнено для условий применения в узком диапазоне частот, изменение этой частоты в данной конструкции не предусмотрено;
- совместное перемещение втулки с муфтой приводит к неопределенности процесса генерации гидравлического удара (гидродинамических импульсов), поскольку промывочные окна в теле корпуса перекрываются телом муфты при ее перемещении;
- необходимость сброса шара с поверхности с его посадкой на посадочное седло во втулке требует дополнительных затрат рабочего времени.
Устройство не может быть применено в режиме откачки пластовой жидкости из скважины с наложением на поток гидродинамических импульсов расхода и давления, т.е. область применения данного устройства ограничена.
Известен забойный пульсатор [2], состоящий из корпуса, в осевом канале которого концентрично размещен патрубок с окнами, образующими между своими внутренней и наружной стенками кольцевой зазор. Верхний конец патрубка заглушен, а нижний соединен с муфтой, снабженной пружинным амортизатором, установленным под седлом в его осевом канале.
На седло установлен подпружиненный шаровой клапан.
Недостатки:
- усилие пружин, которым шаровой клапан поджимается к седлу, носит постоянный характер, и в случае необходимости изменить настройку под условия эксплуатации конкретной скважины не представляется возможным. Это необходимо осуществить особенно при работе нескольких скважин на один промысловый коллектор.
Устройство может быть применено для генерации гидродинамических импульсов только при оснащении им лифтовой колонны труб и подаче пластового флюида из продуктивного пласта, но не может быть применено для генерации гидродинамических импульсов при закачке рабочей жидкости в пласт, например, для увеличения приемистости или очистки призабойной зоны, т.е. имеет место ограничение области применения.
Известно устройство для воздействия на призабойную зону скважины [3], взятое авторами в качестве прототипа.
Устройство состоит из полого корпуса с размещенным в его осевом канале полым патрубком с образованием между ними кольцевой полости. Полый патрубок связан с перфорированной перегородкой, которая в свою очередь закреплена в полом корпусе. Полый патрубок имеет конический осевой канал с посадочным местом под шаровой клапан, который через втулку поджимается к ней пружиной. Осевой канал полого патрубка постоянно гидравлически связан с полостью скважины. Кольцевой зазор между полым корпусом и полым патрубком также гидравлически связан через отверстия в перфорированной перегородке с полостью скважины и перекрыт сверху подпружиненным поршнем.
Усилие поджима шарового клапана к посадочному месту регулируется за счет изменения жидкости пружины, что позволяет регулировать частоту пульсацией рабочей жидкости.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- применение устройства для добычи пластового флюида с наложением на поток гидродинамических импульсов определенной частоты и амплитуды, с увеличением в нужных пределах в импульсе расхода пластового флюида представляется затруднительным, поскольку на этот процесс оказывают влияние пластовые условия конкретной скважины, ее конструктивные особенности, в частности глубина, диаметр труб лифтовой колонны, газовый фактор, коэффициент обводненности и т.д. При работе нескольких скважин на один промысловый коллектор необходимо также учитывать давление в нем, наличие пульсаций и амплитуду колебаний давления. Наложение на поток перекачиваемого из скважины пластового флюида автоколебаний в промысловом коллекторе и их сложение с генерируемыми импульсами самого устройства может привести к изменению в худшую сторону импульсов в лифтовой колонне труб, что снизит эффективность работы устройства. Т.е. расширить область применения не представляется возможным. Устройство можно использовать только в случае подачи рабочей жидкости в пласт, когда факторы продуктивного пласта не оказывают влияния на генерацию гидродинамических импульсов.
Необходимость регулировки усилия поджима поршня пружиной с торцовой поверхности втулки не играет никакой роли в генерации импульсов устройством, поскольку последний перепадом давления в осевом канале лифтовой колонны труб и так поджимается сверху и находится в закрытом состоянии. Кроме того, нет четкого сигнала, при котором регулировался бы, изменялся на расчетную величину расход пластового флюида в осевом канале лифтовой колонны труб.
Анализ изобретательского уровня показал следующее:
- известна конструкция гидравлического вибратора (см. пат. РФ № 2297598, МКл. Е21В 28/00; 43/25, опубл. 27.01.2003 г.) для создания гидравлического удара, в котором в качестве рабочего органа используется пружина растяжения, витки которой навиты до плотности соприкосновения витков. При создании перепада давления внутри полости, созданной пружиной, витки пружины расходятся и открывают винтовой спиральный канал для пропуска рабочей жидкости. Давление в полости пружины выравнивается, и витки резко смыкаются с возникновением гидравлического удара. Цикл повторяется.
Известен способ предотвращения отложений парафина при добыче нефти из скважины (см. пат. РФ № 2083804, Мкл. 6 Е21В 37/00, опубл. 10.07.97 г.), в котором для его реализации пропускают поток пластового флюида с изменение его скорости, для чего используют штуцерирующее устройство. Перепад давления от 0,015 МПа до 0,035 МПа. Т.е. необходима настройка на технологический режим подачи - наложение на расход одного потока, подаваемого постоянно, второго потока, подаваемого в импульсе с расчетным перепадом давления.
В патентной и научно-технической литературе нами не обнаружено устройство, в котором переменным гидравлическим сопротивлением обладает пружина, витки которой удлиняют технологический зазор при увеличении перепада давления на запорном органе и расхода.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении данного изобретения, сводится к следующему:
- возможность регулировки частоты пульсаций за счет изменения жесткости пружины и создания переменного местного гидравлического сопротивления потоку рабочей (пластовой) жидкости винтовой спиральной пружиной при ее сжатии при полном открытии гидравлического канала за счет изменения (уменьшения) технологического зазора между витками пружины;
- возможность применения устройства для генерации импульсов расхода и давления.
Применение переменного гидравлического сопротивления в виде витков спиральной пружины и возможность изменения щелевого зазора на пути второго дополнительного потока позволяет четко возбуждать гидравлические импульсы в осевом канале лифтовой колонны труб и обеспечить четкое прекращение подачи пластовой жидкости за счет выравнивания давления в осевом канале полного корпуса над торцовым клапаном и под ним и посадку торцового клапана на седло в фигурном осевом канале втулки.
Технический результат достигается с помощью известного устройства, устанавливаемого в составе лифтовой колонны труб, с установкой на заданной глубине.
Устройство содержит корпус, в осевом канале которого установлена и закреплена втулка с фигурной цилиндрической расточкой с седлом и торцовым клапаном на фигурном поршне, образующими подвижное соединение с втулкой. На торец втулки опирается опорная шайба с продольными пазами по периметру, поджимаемая сверху винтовой спиральной пружиной с регулировочной гайкой на корпусе.
Фигурный поршень снабжен тягой, пропущенной через осевой канал перфорированной перегородки с пружиной, поджимаемой торцовый клапан к седлу.
Внутри тела фигурного поршня выполнена технологическая расточка, в которой установлен сменный штуцер, поджатый резьбовым стаканом, верхний конец резьбового стакана установлен с возможностью образования подвижного соединения с опорной шайбой и торцового взаимодействия фигурного поршня.
Технологическая расточка в теле фигурного поршня постоянно гидравлически связана с осевым каналом корпуса под втулкой радиальными отверстиями.
Из источников, отраженных в анализе изобретательского уровня, известно, что для защиты стенки труб лифтовой колонны от парафиноотложений необходимо изменить скорость потока пластовой жидкости при увеличении перепада давлений на расчетную величину.
Т.е. необходимо иметь постоянный поток пластовой жидкости, на который дополнительно накладывается поток пластовой жидкости при работе устройства в режиме импульсной подачи по дополнительному каналу.
В прототипе это сделать невозможно, поскольку при подаче рабочей жидкости сверху, открывается только осевой канал во втулке, с отжимом шара от седла. Обводной канал постоянно закрыт подпружиненным поршнем, который не играет никакой роли при генерации гидродинамических импульсов.
В случае использования устройства в добывающих скважинах, т.е. оно повернуто на 180° от положения, как показано на чертеже, то автоколебательный режим возможен только при отжиме шара от седла и свободном проходе пластовой жидкости в лифтовую колонну труб с неконтролируемым расходом и частотой импульсов, что не позволит управлять процессом воздействия на молекулы парафина в потоке и препятствовать их отложению на стенки труб лифтовой колонны.
Кроме того, при добыче также сложно получить гидродинамические импульсы заданной амплитуды и частоты, когда имеет место влияние дополнительных факторов пласта и промыслового коллектора, на который обычно работают несколько скважин. Это приводит к автоколебательному процессу в системе с наложением на автоколебательный процесс, генерируемый устройством. Тем самым могут возникнуть условия, когда генерация гидродинамических импульсов может отсутствовать вовсе или иметь характеристики, недостаточные для эффективного воздействия на поток.
Из вышесказанного следует, что прототип имеет ограниченную область применения
Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства, установленными с возможностью взаимодействия друг с другом и образования гидродинамического импульса в осевом канале корпуса за счет изменения гидравлического сопротивления при сжатии витков спиральной пружины при торцовом взаимодействии фигурного поршня с опорной шайбой с открытием торцового клапана и подачей с увеличенным расходом пластового флюида в осевой лифтовой колонне труб, при возврате торцового клапана на седло в фигурной расточке втулки и увеличении щелевого зазора между витками винтовой спиральной пружины.
Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, т.е. соответствует критерию "изобретательский уровень".
Гидравлический пульсатор для воздействия на поток прокачиваемого флюида или рабочей жидкости путем генерации гидродинамических импульсов расхода и давления показан на чертежах, где:
на фиг.1 представлена конструкция устройства в разрезе, в исходном положении;
на фиг.2 - конструкция устройства в момент роста давления под запорным органом, с его открытием.
Заявленное устройство состоит из разъемного корпуса 1, далее корпус, в осевом канале которого установлена втулка 2 с выступом 3, зафиксированная в месте соединения частей разъемного корпуса 1.
Втулка 2 внутри выполнена с фигурной расточкой 4, в которую введен фигурный поршень 5 с торцовым клапаном 6, опирающимся на седло 7. Фигурный поршень 5 принят большим по диаметру, чем диаметр торцового клапана 6 в месте его посадки на седло 7. Фигурный поршень 5 снабжен тягой 8, пропущенной через перфорированную перегородку 9, жестко связанную с телом втулки 2. Пружиной 10 поджимает торцовый клапан 6 к седлу 7.
В теле фигурного поршня 5 выполнена ступенчатая расточка 11, в которой установлен сменный штуцер 12, поджимаемый резьбовым стаканом 13. Ступенчатая расточка 11 связана радиальными отверстиями 14 с осевым каналом втулки 2 над седлом 7.
На верхний торец втулки 2 опирается опорная шайба 15, с продольными пазами 16 по периметру, поджимаемая сверху винтовой спиральной пружиной 17, жесткость которой и размер технологического зазора между витками регулируется гайкой 18.
Опорная шайба 15 выполнена с центральным отверстием 19, в которое введен подвижно верхний конец резьбового стакана 13.
Осевой канал разъемного корпуса 1 над опорной шайбой 15 имеет постоянную гидравлическую связь через технологические зазоры между витками винтовой спиральной пружины 17 с осевым каналом лифтовой колонны труб.
Ход фигурного поршня 5 внутри фигурной расточки 4 втулки 2, вместе с тягой 8 и резьбовым стаканом 13, определен из условия торцового взаимодействия фигурного поршня 5 с опорной шайбой 15 и сжатия витков винтовой спиральной пружины 17 с образованием минимального технологического зазора между витками или даже до полного смыкания при полном ходе вверх фигурного поршня 5.
Работа гидравлического пульсатора.
Рассмотрим работу гидравлического пульсатора, используемого в способе защиты лифтовой колонны труб от парафиноотложений, при его расположении в составе лифтовой колонны труб на заданной расчетной глубине.
При спуске устройства в скважину заполнение лифтовой колонны труб осуществляется через канал сменного штуцера 12.
Осуществляют запуск и освоение скважины с выходом на технологический режим добычи.
Сменный штуцер 12 подбирают из условия добычи части объема пластовой жидкости от расчетных параметров дебита.
Фигурный поршень 5 торцовым клапаном 6 поджимается к седлу 7 пружиной 10 на тяге 8. Давление под фигурным поршнем 5 возрастает, что при определенном его росте приводит к отрыву торцового клапана 6 на фигурном поршне 5 от седла 7. При этом на фигурный поршень 5, который имеет в фигурной расточке 4 втулки 2 диаметр больший, чем диаметр фигурного поршня 5, на дополнительную площадь последнего действует дополнительное осевое усилие, что приводит к резкому перемещению вверх фигурного поршня 5 внутри фигурной расточки 4 втулки 2 с выходом в торцовый контакт фигурного поршня 5 с опорной шайбой 15 и сжатию винтовой спиральной пружины 17 с образованием минимального технологического зазора между ее витками. Это приводит к росту давления в осевом канале разъемного корпуса 1 над втулкой 2, сравнимого с давлением в осевом канале втулки 2 под седлом 7, что способствует резкому возврату фигурного поршня 5 с торцовым клапаном 6 внутрь фигурной расточки 4 втулки 2 с посадкой торцового клапана 6 на седло 7. При этом опорная шайба 16, усилием сжатой винтовой спиральной пружины 17 возвращается на торец втулки 2 с образованием полного технологического зазора между витками винтовой спиральной пружины 17 и выбросом порции жидкости в осевой канал лифтовой колонны труб дополнительно с порцией пластовой жидкости, подаваемой постоянно через канал сменного штуцера 12. Гайкой 18 можно регулировать технологический зазор между витками винтовой спиральной пружины 17 вплоть до смыкания ее витков.
Изменяя жесткость пружины 10 на тяге 8 можно регулировать перепад давления, при котором произойдет отрыв торцового клапана 6 от седла 7, подбором размеров канала сменного штуцера 12 можно настроить гидравлический пульсатор на широкий диапазон изменения расхода и частоты пульсаций с учетом дебита скважины и давления в промысловом коллекторе.
При подсоединении разъемного корпуса к лифтовой колонне труб противоположным концом, гидравлический пульсатор может быть использован в скважине при закачке в пласт технологических жидкостей, например, для проведения изоляционных работ. Наложение на поток гидродинамических импульсов в этом случае позволит обеспечить проникновение изолирующего состава на большее удаление от ствола скважины.
Устройство также может быть установлено на устье скважины в составе манифольда или в составе технологической обвязки при проведении операций по тампонажу, прокачке в импульсном режиме цементного раствора в межтрубное пространство скважины, интенсификации притока углеводородов путем импульсной обработки призабойной зоны пласта жидкостями интенсификации, что позволяет снизить гидравлические сопротивления при закачке и повысить качество выполняемых работ.
Источники информации, принятые во внимание
1. А.с. № 817219, Мкл. Е21В 43/00 «Гидравлический вибратор». Опубл. 30.03.81 г. Бюл. № 12.
2. А.с. № 439593, Мкл. Е21В 43/00 «Забойный пульсатор». Опубл. 15.08.74 г. Бюл. № 30.
3. А.с. № 153971, Мкл. Е21В 43/00 «Устройство для воздействия на призабойную зону скважины». Опубл. 15.01.90 г. Бюл. № 2 (прототип).