ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПУЛЬСАТОР ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК E21B28/00 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для воздействия на продуктивные пласты, может быть использовано для очистки призабойной зоны пласта и увеличения производительности скважин.

Известен вибратор, содержащий корпус и поршень, жестко связанные с наконечником, и размещенный в кольцевом канале между ними плавающий золотник (а.с. 832067, Е 21 В 43/00, опубл. 23.05.81 г.).

Вибратор создает ограниченную амплитуду давления жидкости и требует для работы создания значительного перепада давления жидкости между полостью внутри корпуса и окружающим его пространством, что приводит к снижению эффективности (кпд) и надежности виброобработок скважин.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является гидродинамический вибратор, содержащий корпус, подпружиненный рабочий клапан с седлом и перепускные окна разобщения полостей постоянного и пульсирующего давления (а.с. 817219, Е 21 В 43/00, опубл. 30.03.81 г.).

Недостатком этого вибратора является низкая амплитуда пульсации и соответственно низкая эффективность воздействия. Кроме того, эффективность работы вибратора существенно зависит от скорости потока жидкости.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности вибровоздействия на пласт.

Поставленная задача достигается тем, что в гидродинамическом пульсаторе давления, включающем корпус с окнами, подпружиненный перекрывающий окна элемент, установленный с возможностью перемещения и разделяющий области постоянного и пульсирующего давления, с седлом и запорным органом, согласно изобретению подпружиненный перекрывающий элемент выполнен в виде втулки, установленной с возможностью контакта с седлом, запорный орган выполнен в виде подпружиненного поршня, размещенного внутри втулки, а корпус снабжен нижней крышкой, при этом надпоршневая полость сообщена с областью постоянного давления, а подпоршневая полость сообщена с областью пульсирующего давления через размещенные в нижней крышке корпуса демпфирующее отверстие и подпружиненный перепускной клапан, установленный с возможностью регулирования гидравлического сопротивления, а жесткость пружины втулки выше жесткости пружины поршня.

Целесообразно внутренний диаметр седла выполнить меньше внутреннего диаметра втулки.

Существенные отличия предлагаемого устройства от прототипа заключаются в наличии подпружиненного поршня, являющегося аккумулятором энергии, что позволяет дополнительно использовать инерционность массы и упругость столба прокачиваемой по трубам жидкости для увеличения амплитуды пульсации, а также в обеспечении возможности регулирования частоты и амплитуды пульсации.

На фиг.1 изображен вид гидродинамического пульсатора давления; на фиг.2 - поперечное сечение А-А; на фиг.3 а, б, в, г схематично представлены стадии работы устройства.

Гидродинамический пульсатор давления состоит из корпуса 1 с перепускными окнами 2 и нижней крышкой 3, клапана 4 (втулки), седла 5 и пружины 6, аккумулятора накопления энергии потока жидкости, выполненного в виде поршня 7 с пружиной 8 и штоком 9 для механического отключения клапана 4.

В верхней части корпуса 1 имеется коническая резьба для подсоединения к трубам с постоянным давлением жидкости. Наружное пространство области пульсирующего давления сообщается с полостью под поршнем 7 с помощью демпфирующего отверстия 10 и калиброванных отверстий 11, перекрываемых перепускным клапаном 12 с пружиной 13 и регулировочной гайкой 14.

Работает устройство следующим образом.

Поток жидкости, поступая в верхнюю часть корпуса 1, перемещает вниз (по ходу движения) поршень 7. Поскольку жесткость пружины 6 выше жесткости пружины 8, то клапан 4 при этом будет оставаться неподвижным. Таким образом, вследствие инерционности (а в определенной мере и упругости) протекающего столба потока жидкости кинетическая энергия его движения будет преобразовываться, накапливаясь в потенциальную энергию деформации пружины 8. Давление во внутренней полости пульсатора будет нарастать. Как только сила упругости пружины 8 уравняется с силой предварительной деформации пружины 6, клапан 4 откроется и жидкость с гидроударом через перепускные окна 2 переместится в наружную полость, т.е. полость пульсирующего давления. Давление над поршнем 7 cтравится, поршень пружиной 8 переместится вверх, а клапан 4 под воздействием пружины 6 перекроет поток жидкости. Снижая, например, жесткость пружины 8 и увеличивая соответственно ход поршня 7 за счет использования инерционности и упругости протекающего в линии столба жидкости можно конструктивно увеличить амплитуду и снизить частоту пульсации. Влияние аккумулятора энергии потока (подпружиненного поршня 7) на увеличение амплитуды пульсации видно из схемы работы устройства, представленной на фиг.3 а, б, в, г.

В исходном положении клапан 4 перекрывает перепускные окна 2, а поршень 7 находится в верхнем положении (фиг.3 а). Сила упругости Т₆ от предварительной деформации пружины 6 значительно превышает силу упругости T₈ пружины 8. Поскольку поток жидкости над пульсатором (излучаемые пульсатором гидродинамические волны имеют характер периодических импульсов давления) имеет физически существенные инерционность (кинетическую энергию) и силу упругости столба, то эквивалентная им энергия будет аккумулироваться пружиной 8, которая в результате будет сжиматься (фиг.3 б), а давление Р над устройством начнет увеличиваться по сравнению с исходным Р₀. Накапливание энергии будет происходить до тех пор, пока будет соблюдаться условие:
T₈<(P-P₀)F_d,
где F_d=0,257πd² - площадь поршня 7, мм².

В то же время седло 5 и соответственно окна 2 будут перекрыты до тех пор, пока соблюдается условие:
Т₆>(Р-Р₀)F_D,
F_D=0,25πD² - площадь, перекрываемая клапаном 4, мм².

В процессе перемещения поршня 7 вниз жидкость под ним будет вытесняться через демпфирующее отверстие 10 и перепускной клапан 12, гидравлическое сопротивление которых увеличивает давление жидкости в подпоршневой полости и, следовательно, в сообщенной с ней кольцевой полости под кольцевым клапаном 4, увеличивая, в свою очередь, силу прижатия последнего к седлу 5. Давление Р над пульсатором будет нарастать. Как только величина нарастаемого давления уравновесится силой Т₆ предварительной деформации пружины 6, которая, в свою очередь, станет равной силе T₈ пружины 8 аккумулятора энергии, движение поршня 7 вниз прекратится и клапан 4 отойдет от седла 5 и начнет раскрывать окна 2 (фиг.3 в). Жидкость из кольцевой полости под клапаном 4 начнет перемещаться в полость под поршнем 7, ускоряя движение его вверх.

По мере того, как фронт гидродинамического давления будет перемещаться через перепускные окна 2, давление Р над пульсатором будет возвращаться к исходному Р₀, поршень 7 двигаться вверх, а возрастание давления в затрубном пространстве до максимальной величины Р₀+ΔР будет сопровождаться снижением влияния скоростного напора жидкости на клапан 4, который при какой-то величине давления Р начнет закрываться (фиг.3 г) и затем возвратится в исходное положение (фиг.3 а). После этого весь цикл повторится сначала.

Кроме того, влияние наличия аккумулятора давления на увеличение амплитуды с соответствующим снижением частоты гидродинамического излучения видно из следующего.

Пусть поток жидкости, прокачиваемой через пульсатор, обладает какой-то энергией W, которую мы преобразовываем в гидродинамическое давление. Но средняя интенсивность звукового (гидродинамического) давления

где Т - период, с; v - частота излучения, Гц; ΔР - звуковое (гидродинамическое) давление, Па; ρ - плотность жидкости, т/м³; с - скорость звука в жидкости, м/с; t - время, с.

Следовательно, для одной и той же энергии, если увеличить емкость аккумулятора энергии, то снижается частота и увеличивается амплитуда гидродинамического давления.

Оперативное управление параметрами пульсации осуществляется изменением величины предварительной деформации пружины 13.

При ходе вниз поршня 7 жидкость из полости под ним частично протекает в наружную область пульсирующего давления через демпфирующее отверстие 10, а в основном через калиброванные отверстия 11 и кольцевую щель, образуемую смежными поверхностями отжимающегося при этом от крышки 3 перепускного клапана 12. Так, например, при отворачивании гайки 14 уменьшается сила прижатия клапана 12 к крышке 3, размер щели увеличивается, а гидравлическое сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению скорости перемещения поршня 7, а следовательно, к снижению амплитуды и к росту частоты пульсации жидкости.

По окончании движения поршня 7 вниз жидкость под ним через отверстия 11 и канал 10 переместится в затрубное пространство скважины и далее в призабойную зону пласта, после чего избыток давления cтравится, т.е. исчезнет. Величина же силы, действующей на клапан 4 сверху вниз, равна произведению продольной составляющей силы перепада давления (Р-Р₀) на коническую разность между диаметрами D и d или, что то же самое, произведению π(P-P₀)(D²-d²)/4. А из-за того, что верхняя торцевая поверхность клапана 4 перекрыта седлом 5 и поршнем 7, сила, действующая на клапан 4 сверху вниз, никак не может быть равна нулю.

Кроме того, если бы даже разницы площадей πD²/4 и πd²/4 не было бы, то даже в этом случае дальнейшее нарастание давления в полости над поршнем 7 привело бы к еще большему увеличению силы деформации T₈ пружины 8 и в момент начала превышения T₈ над силой Т₆ предварительной деформации пружины 6, последняя, естественно, так же начала бы еще больше деформироваться, т.е. даже и в этом случае клапан 4 начал бы раскрываться. Ведь энергия инерции потока в надпоршневой полости накапливается, а в подпоршневой соответствует ранее достигнутому или cтравится до удельной пластовой. Значит, поршень раньше или позже все равно раскроется.

Периодическое перекрытие клапана 4 может вызвать появление ударных волн и в определенной зоне линии постоянного давления. Чтобы исключить их влияние, в том числе и обратных ударных волн, а также скоростного напора жидкости на преждевременное открывание клапана 4, диаметр внутреннего отверстия седла 5 выполняется меньше внутреннего диаметра клапана 4, т.е. наружного диаметра поршня 7.

Предлагаемая конструкция гидродинамического пульсатора давления имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества:
а) появляется возможность аккумулирования энергии потока жидкости с последующей отдачей ее более редкими, но мощными импульсами давления в продуктивный пласт, что приводит к увеличению обрабатываемой зоны пласта и соответственно к увеличению его нефтеотдачи;
б) большая универсальность и эффективность использования ввиду обеспечения возможности регулирования амплитуды и частоты пульсации с учетом коллекторских свойств обрабатываемого пласта;
в) повышение надежности работы в скважине путем снижения степени влияния на работу пульсатора скоростного напора потока жидкости и отраженных (обратных) волн давления.

Предназначен для очистки призабойной зоны пласта и увеличения производительности скважин с применением гидродинамических полей в нефтеперерабатывающей промышленности. Пульсатор состоит из корпуса с окнами, подпружиненного и перекрывающего окна корпуса элемента, установленного с возможностью перемещения и разделяющего области постоянного и пульсирующего давлений. Имеются седло и запорный орган. Подпружиненный перекрывающий элемент выполнен в виде втулки, установленной с возможностью контакта с седлом, запорный орган выполнен в виде подпружиненного поршня, размещенного внутри втулки. Корпус снабжен нижней крышкой. Надпоршневая полость поршня сообщена с областью постоянного давления. Подпоршневая полость сообщена с областью пульсирующего давления через размещенные в нижней крышке корпуса демпфирующее отверстие и подпружиненный перепускной клапан, установленный с возможностью регулирования гидравлического сопротивления. Жесткость пружины втулки выше жесткости пружины поршня. Внутренний диаметр седла выполнен меньше внутреннего диаметра втулки. Конструкция устройства обеспечивает возможность регулирования частоты и амплитуды пульсации давления путем варьирования силы сопротивления продольному перемещению клапана, что наряду с наличием аккумулятора энергии позволяет увеличить гидродинамическое давление и соответственно глубину проникновения волнового поля в пласт, обеспечивает универсальность и эффективность использования пульсатора в породах с различными коллекторскими свойствами. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Гидродинамический пульсатор давления, включающий корпус с окнами, подпружиненный и перекрывающий окна элемент, установленный с возможностью перемещения и разделяющий области постоянного и пульсирующего давлений, с седлом и запорным органом, отличающийся тем, что подпружиненный перекрывающий элемент выполнен в виде втулки, установленной с возможностью контакта с седлом, запорный орган выполнен в виде подпружиненного поршня, размещенного внутри втулки, а корпус снабжен нижней крышкой, при этом надпоршневая полость сообщена с областью постоянного давления, а подпоршневая полость сообщена с областью пульсирующего давления через размещенные в нижней крышке корпуса демпфирующее отверстие и подпружиненный перепускной клапан, установленный с возможностью регулирования гидравлического сопротивления, а жесткость пружины втулки выше жесткости пружины поршня. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренний диаметр седла выполнен меньше внутреннего диаметра втулки.