УСТРОЙСТВО ГИДРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ Российский патент 2007 года по МПК E21B37/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к имплозионным устройствам для многократного гидроимпульсного воздействия на призабойную зону продуктивного пласта, и может быть использовано с целью повышения ее проницаемости за счет создания глубоко проникающих в массив пласта репрессий.

Уровень техники

Известно устройство для обработки пластов в скважинах методом имплозии (см. патент RU №2233977, МПК Е 21 В 43/25, Е 21 В 37/00, опубл. 10.08.2004), предназначенное для обработки истощенных продуктивных пластов, например, при стимулировании добычи нефти. Устройство включает систему поршень-цилиндр-клапан, образующие замкнутую полость, имеющую боковые окна, сообщающие полость цилиндра с полостью скважины. Устройство крепится на конец троса или кабеля и спускается в скважину. При вхождении устройства в столб жидкости поршень под ее давлением перемещается в крайнее верхнее положение. При полном вхождении устройства в столб жидкости движение устройства вниз резко тормозится, и делается реверс на подъем. В это время поршень, под действием подвешенного к нему груза, по инерции идет вниз, а цилиндр - вверх, закрывается клапан, и в полости цилиндра создается разрежение. При дальнейшем движении поршня он открывает окна, и жидкость из скважины устремляется в камеру цилиндра, создавая в призабойной зоне мгновенную депрессию. Движение устройства вверх-вниз может быть повторено сколько угодно, что обусловливает многократное воздействие на пласт. Однако устройство характеризуется невысокой эффективностью. Это объясняется, во-первых, тем, что устройство размещается в верхней части столба жидкости, заполняющей скважину, и на призабойную зону перепады давления воздействуют через этот столб, т.е. нет направленного воздействия через перфорационные отверстия обсадной трубы скважины. Вместе с тем отсутствует знакопеременное воздействие, т.е. устройство создает мгновенную депрессию, но не обеспечивает гидроударного воздействия на обрабатываемый пласт.

Известно устройство гидроимпульсного воздействия на пласт (см. патент RU №2147336, МПК Е 21 В 43/25, опубл. 10.04.2000), содержащее имплозионную камеру с концентраторами давления и радиальными окнами, и с размещенными в ее объеме подпружиненным клапаном и плунжером с прорезными отверстиями и распределительным механизмом, два переводника, из которых верхний закреплен на насосно-компрессорных трубах, а нижний переводник связан с имплозионной камерой, и установленный между переводниками гидроцилиндр, в объеме которого установлен поршень, шток которого выполнен полым и установлен в переводниках с возможностью вертикального перемещения, при этом один конец штока расположен в насосно-компрессорной трубе, а другой - в имплозионной камере. Решение устройства по патенту RU №2147336 направлено на увеличение эффективности воздействия на призабойную зону пласта за счет создания мгновенного гидравлического удара. Вместе с тем, за счет наличия гидроцилиндра и системы переводников с каналами, связывающими полость гидроцилиндра с межтрубным пространством, заполненным скважинной жидкостью, обеспечивается возвратно-поступательное движение поршня, и вместе с ним плунжера имплозионной камеры, что обеспечивает возможность многократного повторения процесса гидроимпульсного воздействия на пласт.

Основным недостатком вышеохарактеризованного устройства является низкая надежность его работы. В связи с тем, что клапанный механизм не приспособлен к высоким ударным нагрузкам, многократность гидроимпульсного воздействия на пласт посредством такой конструкции становится нереальной из-за быстрой поломки возвратной пружины клапана.

В качестве прототипа заявляемого изобретения принята конструкция устройства для имплозионной обработки (см. книгу А.А.Попов "Ударные воздействия на призабойную зону скважины", М.: Недра, 1990, стр.106-107), позволяющего за один спуск глубинного оборудования осуществить создание многократных импульсов депрессии и ударных волн в обрабатываемом интервале пласта. Указанная конструкция устройства характеризуется наибольшим количеством конструктивных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемого решения. Устройство, принятое за прототип, содержит закрепленную на насосно-компрессорных трубах имплозионную камеру, в верхней расширенной части которой выполнены радиальные окна, в объеме имплозионной камеры размещен плунжер, связанный канатом с установленной на устье скважины лебедкой, посредством которой плунжер совершает возвратно-поступательное перемещение в объеме имплозионной камеры. К нижней части имплозионной камеры прикреплен стакан, выполненный с радиальными окнами, размещаемыми на уровне перфорации в обсадной трубе скважины, и с подпружиненным шаровым клапаном, при этом клапанное седло выполнено в зоне соединения имплозионной камеры со стаканом. При подъеме плунжера клапан закрывается и в нижней части имплозионной камеры создается разрежение. С момента достижения нижним концом плунжера расширенного участка имплозионной камеры скважинная жидкость, как из НКТ, так и из затрубного пространства, с мгновенной скоростью устремляется в нижнюю часть камеры, отжимает клапан и через радиальные окна стакана и перфорацию в обсадной трубе устремляется в массив пласта. При этом в призабойной зоне пласта создается сначала импульс депрессии, а затем гидравлический удар с давлением, превышающим горное.

Спуск-подъем плунжера может быть осуществлен многократно, что должно обеспечить многократное гидроимпульсное воздействие на пласт. Однако так же, как и в вышеописанном аналоге, устройство характеризуется низкой надежностью. При повторении операций возвратная пружина клапана подвергается многократному воздействию ударных нагрузок, возникающих в результате гидравлических ударов, что приводит к быстрому разрушению пружины. Проблема не может быть решена увеличением упругости возвратной пружины, поскольку в этом случае будет иметь место уменьшение хода клапана и повышение гидравлического сопротивления, что приведет к значительному ослаблению гидроудара и к снижению эффективности работы устройства в целом.

Раскрытие изобретения

Заявляемым изобретением решается задача повышения надежности работы устройства гидроимпульсного воздействия за счет снятия ударной нагрузки с возвратной пружины клапана, не позднее того момента, когда возвратная пружина под действием потока жидкости, устремленного из имплозионной камеры, окажется сжатой до контакта ее соседних витков между собой.

Поставленная задача решена тем, что устройство гидроимпульсного воздействия на пласт, содержащее смонтированную на колонне насосно-компрессорных труб имплозионную камеру с установленным в ее объеме плунжером, к нижней части которой прикреплен стакан с радиальными окнами, а также содержащее установленный в стакане клапан с возвратной пружиной, согласно заявляемому изобретению снабжено дополнительной пружиной, ограничивающей движение затворного элемента клапана в конце хода при его отжатии.

Установка дополнительной пружины, противодействующей движению затворного элемента только на конце его хода, т.е. тогда, когда затворный элемент отжат до его положения ниже радиальных окон стакана, или при его приближении к нижней грани этих окон, и, следовательно, тогда, когда это противодействие не оказывает существенного влияния на величину гидравлического сопротивления потоку скважиной жидкости, и не снижает величину гидравлического удара в продуктовый пласт, позволяет выполнить эту пружину значительно более жесткой, чем возвратная пружина. Высокая жесткость дополнительной пружины придает ей функцию, по сути, упора, останавливающего затворный элемент клапана на некотором расстоянии от поверхности, являющейся опорной для возвратной пружины. Причем это расстояние должно быть достаточным для размещения сжатой возвратной пружины, что подбирается известными конструкторскими расчетами этих пружин исходя из конкретной конструкции устройства и внешних исходных параметров (например, свойств продуктового пласта). Наличие такой дополнительной пружины предотвращает удар затворного элемента на возвратную пружину, витки которой в конце хода клапана сжаты (или близки к сжатию), но в это время расположены в зоне действия жесткой дополнительной пружины, которая воспринимает на себя основную ударную нагрузку. Таким образом, предотвращается поломка возвратной пружины, следовательно, повышается надежность работы устройства и обеспечивается многократность гидроимпульсного воздействия на продуктовый пласт.

Исполнение дополнительной пружины может быть различным. Обязательным существенным признаком заявленного решения является то, что дополнительная пружина вступает в действие при отжатии клапана только в конце его хода, ограничивая дальнейшее воздействие затворного элемента на витки возвратной пружины. Такое ограничение может быть получено при исполнении устройства, например, с несколькими пластинчатыми пружинами, закрепленными концами на опорной для возвратной пружины поверхности, с размещением вокруг возвратной пружины, или каким-либо иным образом, позволяющим решить задачу по обеспечению противодействия движению затворного элемента только в конце его хода. Вместе с тем, наиболее рациональным является выполнение дополнительной пружины в виде винтовой пружины, при этом эффективность срабатывания дополнительной пружины с целью исключения удара на возвратную пружину будет наибольшая при установке дополнительной пружины соосно возвратной пружине. При такой установке функцию опорной поверхности для дополнительной пружины может исполнять поверхность, которая является опорной для возвратной пружины. При этом, с целью предотвращения вращения клапана, дополнительная пружина может быть выполнена с навивкой, направленной в противоположную сторону относительно навивки возвратной пружины.

Введенная в устройство дополнительная пружина не будет препятствовать раскрытию клапана, т.е. движению затворного элемента вниз при создании в призабойной зоне гидравлического воздействия, и вместе с тем обеспечит защиту возвратной пружины от этого воздействия, если дополнительная пружина будет выполнена с числом витков, меньшим числа витков возвратной пружины, и с диаметром витков, превышающим диаметр витков возвратной пружины. При таком исполнении дополнительной пружины, витки возвратной пружины в момент ее сжатия, оказываются охваченными витками дополнительной пружины, которые воспримут в этот момент гидравлический удар на себя. Вместе с тем, поскольку дополнительная пружина имеет меньшее, чем возвратная пружина, количество витков, и их диаметр, по сравнению с диаметром витков возвратной пружины, увеличен, дополнительная пружина всегда находится в нижней части, т.е. она не оказывает какого-либо влияния на ход клапана. Это позволяет выполнить дополнительную пружину максимально жесткой, характеризующейся большим сопротивлением ударной нагрузке, чем возвратная пружина.

При конкретной реализации заявляемого изобретения важную роль играет проработка конструкции клапана в целом и штока, в частности, а также конструктивное исполнение стакана. Нижеописанное конструктивное решение этих узлов заявляемого устройства позволило полностью убрать как возвратную, так и дополнительную пружины с пути движения потока скважинной жидкости при гидроударе, и разместить обе пружины вне имплозионого воздействия. Клапан выполнен с длинным штоком, пропущенным через дополнительную и возвратную пружины и разделенным на две части кольцевым выступом. Возвратная и дополнительная пружины охватывают нижнюю часть штока, отделенную кольцевым выступом от части штока с рабочим торцом, подпирающим затворный элемент. При этом стакан выполнен, по меньшей мере, из двух зон: верхней с радиальными окнами и нижней, дно которой выполнено с отверстием для прохода штока клапана. Упомянутые зоны стакана разделены кольцевой перегородкой. Шток клапана установлен таким образом, что кольцевой его выступ всегда находится в нижней зоне стакана. При закрытом положении клапана кольцевой выступ штока упирается в нижнюю поверхность кольцевой перегородки. При этом дополнительная и возвратная пружины, охватывающие нижнюю часть штока, т.е. часть штока до кольцевого выступа, также всегда находятся в нижней зоне стакана, т.е. в той зоне, где нет гидравлического импульса. Распространению гидравлического импульса вниз по штоку, т.е. в направлении пружин, будет препятствовать кольцевая перегородка стакана и кольцевой выступ штока. При этом дно нижней зоны стакана выполнено с отверстием для свободного прохода штока, поверхность этого дна вокруг отверстия является поверхностью, опорной для витков дополнительной и возвратной пружин, а кольцевой выступ штока является воздействующим: сначала на витки возвратной пружины при перемещении клапана вниз под действием потока жидкости, что обеспечивает накопление энергии в возвратной пружине при ее сжатии, а затем на витки дополнительной пружины, которая при контакте с кольцевым выступом штока остановит движение клапана вниз.

Является предпочтительным выполнить верхний рабочий торец штока, подпирающий затворный элемент клапана, тарельчатой формы с конусной нижней поверхностью, при этом верхняя поверхность кольцевой перегородки стакана может быть выполнена под уклон, угол которого соразмерен углу конуса упомянутой поверхности. Это обеспечивает сопряженность указанных поверхностей при нижнем положении клапана и смягчение удара на кольцевую перегородку стакана.

С целью оптимального устранения негативного воздействия гидравлического удара на насосно-компрессорные трубы, на имплозионное устройство и скважину, концентраторы давления предпочтительно выполнить на стакане вблизи радиальных окон, т.е. в верхней зоне стакана.

Устройство может быть снабжено дополнительным стаканом, закрывающим дно основного стакана снизу, или основной стакан может быть выполнен более удлиненным и заглушенным со стороны забойной части скважины с целью предотвращения попадания в пружинный механизм клапана механических включений.

Краткое описание чертежей

На иллюстрирующих заявляемое решение чертежах представлено:

На фиг.1 - общий вид предлагаемого устройства, с частичным продольным разрезом, при этом на фиг.1а - верхняя часть устройства, на фиг.1б - нижняя;

На фиг.2 - то же, в момент гидравлического воздействия на пласт.

Осуществление изобретения

Устройство гидроимпульсного воздействия на пласт содержит имплозионную камеру, которая крепится к нижней части насосно-компрессорных труб 1, и состоит из заборного цилиндра 2 с радиальными окнами 3 и промежуточного цилиндра 4, связанных между собой муфтой 5. В объеме упомянутых цилиндров установлен с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения плунжер 6, связанный канатом 7 с лебедкой, установленной на устье скважины (на чертеже не показана) и обеспечивающей подъем и опускание (вертикальное возвратно-поступательное движение) плунжера 6 вдоль промежуточного цилиндра 4 и заборного цилиндра 2. К имплозионной камере присоединен стакан 8 с радиальными окнами 9. Соединение выполнено в виде муфты 10 с верхним посадочным диаметром и с клапанным седлом, обеспечивающими плотное перекрытие канала: сверху - плунжером 6, а снизу затворным элементом - шаровым клапаном 11 клапанного механизма, установленного в объеме стакана 8. Клапанный механизм, помимо шарового клапана 11, включает шток 12, который выполнен с кольцевым выступом 13, и две цилиндрические пружины: возвратную 14 и дополнительную пружину 15. Пружины 14 и 15 смонтированы соосно и охватывают нижнюю часть штока 12, т.е. ту часть штока, которая ограничена сверху кольцевым выступом 13. Дополнительная пружина 15 выполнена с большим диаметром и имеет меньшее количество витков, чем возвратная пружина 14. Стакан 8 кольцевой перегородкой 16 разделен на два объема (две зоны): верхний, в котором исполнены радиальные окна 9 и в котором размещена верхняя часть штока с рабочим торцом, подпирающим затворный элемент; и нижний, в объеме которого размещена часть штока с пружинами 14 и 15. Снизу стакан закрыт дном 17, внутренняя поверхность которого является опорной для пружин 14 и 15 при их сжатии кольцевым выступом 13. Дно 17 выполнено с отверстием для прохода штока 12 в объем дополнительного стакана 18, закрывающего устройство со стороны забоя скважины. Вблизи радиальных окон 9 выполнены концентраторы 19. Рабочий торец 20 штока 12, подпирающий шаровой клапан 11 (т.е. затворный элемент клапана), выполнен тарельчатой формы с конусной нижней поверхностью 21. При этом верхняя поверхность 22 кольцевой перегородки 16 стакана 8 выполнена под уклон, угол которого соразмерен углу конуса поверхности 21. Устройство помещено в обсадной трубе (на чертеже не показана) скважины на уровне ее перфорации в зоне продуктивного (нефтяного) пласта.

Устройство работает следующим образом.

С помощью лебедки, установленной на устье скважины, на канате 7 плунжер 6 опускают до уровня верхнего посадочного диаметра муфты 10.

Далее плунжер 6 лебедкой поднимают вверх, шаровой клапан 11 плотно устанавливается в клапанном седле муфты 10, и в промежуточном цилиндре 4 имплозионной камеры создается разрежение. При достижении нижним торцом плунжера 6 нижних граней радиальных окон 3 заборного цилиндра 2 жидкость из пространства между НКТ и обсадной трубой скважины через окна 3 с большой скоростью устремляется в объем промежуточного цилиндра 4 имплозионной камеры, отжимает шаровой клапан 11, который вместе со штоком 12 и кольцевым выступом 13 движется вниз, открывая доступ потоку жидкости к окнам 9 стакана 8. Поток жидкости с большой скоростью устремляется через окна 9 стакана 8 и через перфорацию обсадной трубы (на чертежах не показана) в породу пласта, создавая в ней гидравлический удар с давлением, превышающим горное давление на глубине пласта. При этом кольцевой выступ 13 сжимает возвратную пружину 14 до тех пор, пока ее витки не окажутся внутри витков дополнительной пружины 15, и кольцевой выступ не соприкоснется с витками жесткой дополнительной пружины, которая воспримет на себя удар от кольцевого выступа 13, защитив, таким образом, от ударной нагрузки возвратную пружину 14. Жесткость дополнительной пружины 15 может быть таковой, что при контакте кольцевого выступа с дополнительной пружиной, шток с тарельчатым рабочим торцом 20, поддерживающим шаровой клапан 11, остановится практически сразу. Вместе с тем дополнительная пружина 15 за счет своей упругости обеспечит смягчение удара поверхности 21 рабочего торца 20 о поверхность 22 кольцевой перегородки 16, что существенно снижает нагрузку на НКТ. Этому будет способствовать и параллельность поверхностей 21 и 22, обеспечивающая их сопряжение при соприкосновении.

Таким образом, заявляемое решение позволит повысить надежность устройства за счет исключения ударного воздействия на возвратную пружину клапанного механизма, что обеспечивает гарантированную многократность гидроимпульсного воздействия на пласт при однократной установке устройства в скважину. В итоге происходит увеличение эффективности воздействия на призабойную зону продуктивного пласта. Вместе с тем повышенная жесткость дополнительной пружины обусловливает существенное снижение динамической нагрузки на НКТ в момент гидравлического удара, что также способствует повышению надежности работы устройства и его эффективности.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к имплозионным устройствам для многократного гидроимпульсного воздействия на призабойную зону продуктивного пласта, и может быть использовано с целью повышения ее проницаемости за счет создания глубоко проникающих в массив пласта репрессий. Обеспечивает повышение надежности работы устройства гидроимпульсного воздействия за счет снятия ударной нагрузки с возвратной пружины клапана, не позднее того момента, когда возвратная пружина под действием потока жидкости, устремленного из имплозионной камеры, окажется сжатой до контакта ее соседних витков между собой. Сущность изобретения: устройство содержит смонтированную на колонне насосно-компрессорных труб имплозионную камеру с установленным в ее объеме плунжером, к нижней части которой прикреплен стакан с окнами, установленный в стакане клапан с возвратной цилиндрической пружиной. Согласно изобретению устройство снабжено дополнительной пружиной, выполненной более жесткой, чем возвратная для ограничения движения затворного элемента клапана в конце хода при его отжатии. Дополнительная пружина размещена вокруг возвратной и на той же опорной поверхности, что и возвратная пружина. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство гидроимпульсного воздействия на пласт, содержащее смонтированную на колонне насосно-компрессорных труб имплозионную камеру с установленным в ее объеме плунжером, к нижней части которой прикреплен стакан с окнами, установленный в стакане клапан с возвратной цилиндрической пружиной, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительной пружиной, выполненной более жесткой, чем возвратная, для ограничения движения затворного элемента клапана в конце хода при его отжатии, при этом дополнительная пружина размещена вокруг возвратной и на той же опорной поверхности, что и возвратная пружина.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительная пружина выполнена винтовой и с навивкой, направленной в противоположную сторону относительно навивки винтовой возвратной пружины.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительная пружина выполнена цилиндрической с числом витков, меньшим числа витков возвратной пружины.4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что клапан выполнен со штоком, пропущенным через дополнительную и возвратную пружины, которые установлены охватывающими часть штока, отделенную кольцевым выступом от другой его части с рабочим торцом, подпирающим затворный элемент, при этом стакан выполнен, по меньшей мере, из двух разделенных кольцевой перегородкой зон: верхней зоны с радиальными окнами, в объеме которой размещена часть штока с рабочим торцом, и нижней зоны, в объеме которой размещена часть штока, охваченная пружинами, при этом дно нижней зоны выполнено с отверстием для прохода штока клапана.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что рабочий торец штока, подпирающий затворный элемент клапана, выполнен тарельчатой формы с конусной нижней поверхностью, при этом верхняя поверхность кольцевой перегородки стакана выполнена под уклон, угол которого соразмерен углу конуса упомянутой поверхности.6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что концентраторы давления выполнены на стакане вблизи радиальных окон.7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным стаканом, закрывающим дно основного стакана снизу.