УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАЛЕЖЬ Российский патент 1999 года по МПК E21B28/00 E21B43/25 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для увеличения дебита скважины за счет волнового воздействия на продуктивный пласт.

Известен циркулирующий плунжер для скважин, включающий поршень для размещения его внутри эксплуатационной колонны скважины, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси эксплуатационной колонны скважины посредством привода, установленного на дневной поверхности, причем поршень выполнен из по меньшей мере двух круглых элементов, установленных на боковой поверхности стержня в поперечных плоскостях относительно продольной оси эксплуатационной колонны с продольным зазором между ними [1].

В этом устройстве круглые элементы поршня выполнены из упругого материала и их края прилегают к внутренней поверхности эксплуатационной колонны без зазора. При перемещении поршня происходит циркуляция жидкости, которой заполнена эксплуатационная колонна, а также очистка стенок обсадной трубы, что увеличивает дебит скважины. Отсутствие центраторов в устройстве обусловлено выполнением круглых элементов упругими.

Вместе с тем, выполнение круглых элементов упругими и их соприкосновение с поверхностью обсадных труб приводит к их быстрому износу. За счет высокого трения элементов об обсадные трубы затруднен спуск поршня в глубокие скважины.

Наиболее близким техническим решением является устройство для волнового воздействия на залежь, включающее поршень и по меньшей мере один центратор для размещения их внутри эксплуатационной колонны скважины, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси эксплуатационной колонны скважины посредством привода, установленного на дневной поверхности [2].

Это устройство также снабжено цилиндром с посадочным седлом, установленном на конце колонны насосно-компрессорных труб, а поршень установлен в цилиндре с возможностью выхода из него в крайнем верхнем положении привода, которым служит станок-качалка.

Ограничениями этого технического решения являются: наличие цилиндра и другого дополнительного оборудования усложняет конструкцию, в качестве скважин могут быть использованы только скважины, выведенные из эксплуатации или еще не отперфорированные; колебания гидродинамического давления, возбуждаемые в скважине поршнем распространяются вдоль всего ствола скважины, что приводит к потере энергии волны вдали от продуктивного пласта и к излишнему динамическому воздействию на обсадные трубы эксплуатационной колонны скважины вдали от продуктивного пласта.

Решаемая изобретением задача - повышение дебита скважины за счет улучшения волнового воздействия на продуктивный пласт.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - увеличение энергии волнового воздействия непосредственно на продуктивный пласт, снижение динамических воздействий на эксплуатационную колонну скважины вдали от продуктивного пласта и упрощение устройства.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для волнового воздействия на залежь, включающем поршень и по меньшей мере один центратор для размещения их внутри эксплуатационной колонны скважины, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси эксплуатационной колонны скважины посредством привода, установленного на дневной поверхности, согласно изобретению поршень выполнен из по меньшей мере двух круглых элементов, установленных на боковой поверхности стержня в поперечных плоскостях относительно продольной оси эксплуатационной колонны с продольным зазором l между ними с радиальным зазором σ в поперечной плоскости между краем круглого элемента и внутренней поверхностью эксплуатационной колонны скважины, при этом толщина круглого элемента δ, величина l продольного зазора, величина радиального зазора σ выбраны удовлетворяющими условиям 0,1 < l/D < 100; 0,005 < δ/D < 1; σ/D < 0,3, где D - внутренний диаметр эксплуатационной колонны.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- круглый элемент был выполнен в форме диска;
- край диска, обращенный к внутренней поверхности эксплуатационной колонны скважины, был выполнен заостренным;
- боковая поверхность круглого элемента от боковой поверхности стержня до края круглого элемента была выполнена конической, и конические поверхности круглых элементов были бы обращены в одну сторону;
- был введен утяжеляющий элемент, установленный на конце стержня, обращенном к забою скважины;
- стержень был выполнен полым;
- был введен клапан одностороннего действия, установленный на конце полого стержня, обращенном к забою скважины, а на другой конце полого стержня, обращенном к устью скважины, выполнены отверстия с возможностью обеспечения гидродинамической связи полости стержня с пространством внутри эксплуатационной колонны под стержнем и над ним;
- связь привода со стержнем поршня была осуществлена посредством штанги, на конце которой был выполнен упор, введенный в полость стержня с возможностью продольного перемещения упора относительно стенок полого стержня и с возможностью его взаимодействия при перемещении по крайней мере с одним из концов стержня;
- был введен дополнительный упор, установленный на штанге вне стержня с возможностью взаимодействия с концом стержня, обращенным к устью скважины.

За счет выполнения поршня из круглых элементов с указанным диапазоном соотношений размеров удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 схематично изображает размещенное в эксплуатационной колонне скважины устройство для волнового воздействия на залежь;
фиг. 2 - часть устройства на фиг. 1 с заостренным краем круглых элементов;
фиг. 3 - часть устройства на фиг. 1 с конической боковой поверхностью круглого элемента;
фиг. 4 - устройство на фиг. 1 при выполнении стержня поршня полым и снабжении его клапаном;
фиг. 5 - устройство на фиг. 1 при выполнении стержня поршня полым и снабжении штанги упорами.

Устройство (фиг. 1) для волнового воздействия на залежь содержит поршень 1 и центраторы 2 для размещения их внутри эксплуатационной колонны 3 скважины, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси эксплуатационной колонны 3 посредством привода (на фигурах не показан), установленного на дневной поверхности.

Поршень 1 выполнен из по меньшей мере двух круглых элементов 4, установленных на боковой поверхности стержня 5 в поперечных плоскостях относительно продольной оси эксплуатационной колонны 3 с продольным зазором l между ними и с радиальным зазором σ в поперечной плоскости между краем круглого элемента 4 и внутренней поверхностью эксплуатационной колонны 3 скважины. Толщина круглого элемента 4 - δ, величина l продольного зазора, величина радиального зазора σ выбраны удовлетворяющими условиям 0,1 < l/D < 100; 0,005 < δ/D < 1; σ/D < 0,3, где D - внутренний диаметр эксплуатационной колонны 3.

В качестве привода устройства может служить любой подъемный механизм, например станок-качалка, связанный колонной 6 штанг или труб (или тросом) с поршнем 1. Поршень 1 опущен под уровень 7 жидкости в эксплуатационной колонне 3 скважины.

Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.

В процессе эксплуатации скважин при работе станка-качалки осуществляется возвратно-поступательное продольное перемещение поршня 1 по скважине. При этом круглые элементы 4 обтекаются потоком жидкости, заполняющей скважину, с возникновением дроссельного эффекта, происходит частичная потеря гидродинамического давления в потоке из-за многократного резкого расширения и сужения потока при прохождении зазоров 1, σ между круглыми элементами 4 и внутренней поверхностью эксплуатационной колонны 3. Общий перепад давления по всей последовательности круглых элементов 4 или, соответственно, количество круглых элементов 4, необходимое для достижения заданного перепада давления, определяются суммированием потерь на каждом круглом элементе 4. Существенно, что гидродинамическое давление над поршнем 1 в заявленном устройстве определяется весом столба жидкости над ним и остается практически постоянным, в то время, как изменение давления под ним может быть сделано равным заранее заданной величине и определяется числом круглых элементов 4, скоростью перемещения поршня 1, зазорами l, σ между круглыми элементами 4 и обсадной трубой эксплуатационной колонны 3, внутренним диаметром D эксплуатационной колонны, которая является своеобразным цилиндром поршня 1, поэтому введение дополнительного цилиндра в конструкцию не требуется.

Амплитуда колебаний гидродинамического давления ограничивается величиной, которая может определена расчетным путем, исходя из условия сохранности цементного камня в заколонном пространстве. Расстояние между конструктивными элементами выбирается таким, чтобы исключалась взаимная нейтрализация дроссельного эффекта соседними круглыми элементами 4. Толщина δ круглых элементов 4 должна обеспечивать их необходимую жесткость и возможность крепления к стержню 5. В качестве стержня 5 может быть использована непосредственно штанга, насосно-компрессорная труба или бурильная труба. Кроме того, стержень 5 может быть выполнен из отдельной детали, соединенной с перечисленными выше элементами компоновки привода.

Условие 0,005 < δ/D < 1 получено в результате следующих соображений.

В реальных конструкциях внутренний диаметр эксплуатационной колонны 3 составляет 10-20 см. При выполнении круглых элементов 4 из различных материалов, например из металла или пластмасс, необходимо обеспечить их жесткость при взаимодействии с потоком жидкости. Расчеты показывают, что для указанных материалов толщины δ должна быть выбрана не менее 1 мм, что также обеспечивает надежность сварки при использовании круглых элементов 4 из металла. В то же время при толщине δ большей 10-20 см неоправданно расходуются материалы и увеличиваются габариты конструкции без всякого улучшения дроссельного эффекта.

Условие 0,1 < l/D определено для устранения эффекта взаимного влияния соседних круглых элементов 4, при котором происходит снижение суммарного дроссельного эффекта. Так при указанном диапазоне внутренних диаметров эксплуатационной колонны 3 l должно быть больше 1-2 см.

Условие l/D < 100 получено исходя из требований уменьшения габаритов устройства в целом при расположении круглых элементов 4 с продольным зазором l, не превышающих размеров на практике одной трубы или штанги.

Минимальный размер радиального зазора σ определяется возможностью свободного перемещения поршня 1 внутри эксплуатационной колонны, и чем он на практике меньше, тем выше эффективность устройства. Однако поскольку внутренняя поверхность поверхность обсадных труб имеет различные естественные дефекты: шероховатость, каверны и тому подобное, и, кроме того, ствол скважины отличается от прямолинейного и имеет естественную искривленность, то минимальный размер не может быть меньше нескольких миллиметров. А требование σ/D < 0,3 диктуется условием существования значимого дроссельного эффекта.

Круглый элемент 4 может быть выполнен любой формы с сохранением для обеспечения дроссельного эффекта указанных соотношений. Практически наиболее рационально для упрощения конструкции использовать диски (фиг. 1). Край диска (фиг. 2), обращенный к внутренней поверхности эксплуатационной колонны 3 скважины, может быть выполнен заостренным, причем реализуется схема обтекания его краев со срывом струй и при этом гидравлическое сопротивление круглого элемента 4 повышается в 2-3 раза.

Потери давления на круглых элементах 4 еще возрастут до 2 раз, если обтекаемый профиль расположен под углом к набегающему потоку, то есть если боковая поверхность круглого элемента 4 от боковой поверхности стержня до края круглого элемента 4 выполнена конической (фиг. 3), и конические поверхности круглых элементов 4 обращены в одну сторону.

Может быть введен утяжеляющий элемент 8, установленный на конце стержня 5, обращенном к забою скважины, служащий для предотвращения деформации компоновки при сжатии. В качестве утяжеляющего элемента могут применяться бурильные трубы или литые удлиненные детали.

В устройстве должны быть использованы центраторы 2 для предотвращения касания краями круглых элементов 4 стенок эксплуатационной трубы 3, а также для предотвращения деформации компоновки при сжатии. При этом рационально размещение центраторов 2 на расстояниях от одного до десяти метров друг от друга, в том числе и в позициях, находящихся между дисками.

При внутреннем диаметре D эксплуатационной колонны 3, равном 13 см, спуск и подъем круглого элемента 4 до уровня продуктивного пласта показывает, что диски диаметром 12 см могут беспрепятственно перемещаться вдоль продольной оси скважины. На бурильной трубе - стержне 5, например, диаметром 6,3 см сваркой или с помощью втулок закрепляются диски с указанным внешним диаметром. Расчеты показывают, что при скорости перемещения поршня 1 - 1,45 м/с на каждом диске будет происходить потеря давления 0,05 МПа. Исходя из условия сохранности цементного камня при циклическом нагружении устанавливается, что общий перепад гидродинамического давления не должен превышать 2 МПа. Для достижения общего перепада в 2 МПа на системе дисков необходимо установить на стержне 5 всего 40 дисков. В описываемом случае соседние диски не будут взаимно гасить дроссельный эффект, если расстояние между ними будет не менее 15 см, то есть весь набор дисков может быть установлен на отрезке трубы длинной 6 м. Для предотвращения контакта краев круглых элементов 4 и внутренней поверхности эксплуатационной колонны могут быть установлены три центратора 2. Если технически возможно выполнить края дисков острыми, то для достижения того же перепада давления достаточно 15 дисков. На практике гидродинамическая связь скважины с продуктивным пластом ослабляет перепад давлений. Так, например, при толщине пласта 10 м, его проницаемости в 100 мдарси, вязкости пластового флюида - 5 пуаз, амплитуда колебаний давления снижается на 10%, однако такое снижение может быть учтено при расчете компоновки.

В дополнительных вариантах выполнения устройства стержень 5 выполняют полым (фиг. 4), например, в качестве полого стержня может быть использована труба.

Если необходимо избежать какой-либо фазы колебаний, например, фазы сжатия для предотвращения изгибной деформации компоновки и уменьшения потока жидкости из скважины в пласт, то круглые элементы 4 закрепляются на полом стержне 5 (фиг. 4), нижний конец которого снабжается клапаном 9, позволяющим жидкости беспрепятственно поступать из скважины в полость и перекрывающим обратный поток жидкости. В сочетании с отверстиями 10 в полом стержне 5, выполненными над круглыми элементами 4 в верхней части стержня 5, клапан 9 будет пропускать жидкость сквозь полость стержня 5 через отверстия 10 в пространство над поршнем 1, выравнивая тем самым давление над ним и под ним. Поэтому фаза сжатия жидкости и компоновки при ходе ее вниз будет нейтрализована. При выполнении клапана 9 в виде шарика с седлом (фиг. 4), если клапан 9 установлен так, что шарик перекрывает поток жидкости при ходе компоновки вниз, нейтрализуется фаза разрежения.

Кроме того, если связь привода со стержнем 5 поршня 1 осуществлена посредством штанги 6 (фиг. 5), на конце которой выполнен упор 11, введенный в полость стержня 5 с возможностью продольного перемещения упора 11 относительно стенок полого стержня 5 и с возможностью его взаимодействия при перемещении по крайней мере с одним из концов стержня 5, то возможно возбуждение гидроударов за счет возникающей разности фаз движения штанги 6 с упором 11 и поршня 1. При введении дополнительного упора 12, установленного на штанге 6 вне стержня 5 с возможностью взаимодействия с концом стержня 5, обращенном к устью скважины, могут быть возбуждены дополнительные гидроудары в жидкости, заполняющей скважину.

Таким образом, выполнение устройства с клапаном 9 или с упорами 11, 12 (фиг. 4, 5) позволяет формировать импульсы гидродинамического давления, наиболее эффективно воздействующие на продуктивный пласт.

Устройство может использоваться в комплексе с другими методами воздействия на продуктивные пласты.

Наиболее успешно заявленное устройство для волнового воздействия на залежь может быть использовано при добыче нефти из малопродуктивных скважин с высокой обводненностью.

Источники информации:
1. Патент США N 2825411, НКИ, 166-177, опублик. 04.03.58 г.

2. Патент Российской Федерации N 2075596, МПК, E 21 B 43/25, опублик. 20.03.97.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для увеличения дебита скважины за счет волнового воздействия на продуктивный пласт. Устройство для волнового воздействия на залежь включает поршень и по меньшей мере один центратор, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси эксплуатационной колонны скважины. Поршень выполнен из по меньшей мере двух круглых элементов, установленных на боковой поверхности стержня с продольным зазором l между ними и с радиальным зазором σ в поперечной плоскости между краем круглого элемента и внутренней поверхностью эксплуатационной колонны скважины. Толщина круглого элемента δ, величина l продольного зазора, величина радиального зазора σ выбраны удовлетворяющими условиям 0,1<l/D<100, 0,005 < δ/D < 1, σ/D < 0,3, где D - внутренний диаметр эксплуатационной колонны. Использование изобретения позволяет увеличить энергию волнового воздействия непосредственно на продуктивный пласт, снизить динамические воздействия на эксплуатационную колонну скважины вдали от продуктивного пласта и упростить устройство. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для волнового воздействия на залежь, включающее поршень и центратор для размещения их внутри эксплуатационной колонны скважины, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси эксплуатационной колонны скважины посредством привода, установленного на дневной поверхности, отличающееся тем, что поршень выполнен из по меньшей мере двух круглых элементов, установленных на боковой поверхности стержня в поперечных плоскостях относительно продольной оси эксплуатационной колонны с продольным зазором l между ними и с радиальным зазором σ в поперечной плоскости между краем круглого элемента и внутренней поверхностью эксплуатационной колонны скважины, при этом толщина круглого элемента δ, величина l продольного зазора, величина радиального зазора σ выбраны удовлетворяющими условиям 0,1 < l / D < 100, 0,005 < δ/D < 1; σ/D < 0,3, где D - внутренний диаметр эксплуатационной колонны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что круглый элемент выполнен в форме диска. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что край диска, обращенный к внутренней поверхности эксплуатационной колонны скважины, выполнен заостренным. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковая поверхность круглого элемента от боковой поверхности стержня до края круглого элемента выполнена конической, и конические поверхности круглых элементов обращены в одну сторону. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введен утяжеляющий элемент, установленный на конце стержня, обращенном к забою скважины. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень выполнен полым. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что введен клапан одностороннего действия, установленный на конце полого стержня, обращенном к забою скважины, а на другом конце стержня, обращенном к устью скважины, выполнены отверстия с возможностью обеспечения гидродинамической связи полости стержня с пространством внутри эксплуатационной колонны под стержнем и над ним. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что связь привода со стержнем поршня осуществлена посредством штанги, на конце которой выполнен упор, введенный в полость стержня с возможностью продольного перемещения упора относительно стенок полого стержня и с возможностью его взаимодействия при перемещении по крайней мере с одним из концов стержня. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что введен дополнительный упор, установленный на штанге вне стержня с возможностью взаимодействия с концом стержня, обращенным к устью скважины.