Гідроударний пристрій

1 Гідроударний пристрій (ГП), що містить трубчатий корпус, упорну гайку і зачіп, закріплені на верхньому КІНЦІ корпуса, перехідник і кожух, закріплені на нижньому КІНЦІ корпуса, плунжер і пружину плунжера, а також поршень, пружину поршня і гайку поршня, встановлені з можливістю осьового переміщення під дією перепадів тиску, який відрізняється тим, що корпус виконано з осьовим отвором, розділеним перегородкою на верхню і нижню частини, плунжер встановлений між кожухом і корпусом, порожнина, в якій знаходиться нижній торець плунжера, з'єднана отворами з нижньою частиною корпуса, середня частина поршня і гайка поршня встановлені у верхній частині корпуса між перегородкою і упорною гайкою, нижній кінець поршня встановлений в отворі прегородки, а верхній - за межами корпуса, пружина поршня встановлена між виступом верхнього кінця поршня і упорною гайкою, плунжер і гайка поршня оснащені проточками під ролики, ГП додатково оснащений вузлом порогу енергії і задавання порогу енергії, в склад вузла порогу енергії входять ролики, встановлені в наскрізних радіальних отворах корпуса, поршень з гайкою і пружиною поршня, а також плунжер, в склад вузла задавання порогу входять поршень з гайкою і пружиною поршня, при чому поршень встановлений також з можливістю прокручування по різі гайки поршня, а гайка -тільки з можливістю осьового пересування, діаметр нижнього кінця поршня вибраний з врахування сили деформації пружини поршня, більшої від сили тертя роликів 2 Гідроударний пристрій за п І, який відрізняється тим, що ролики зафіксовані в отворах корпуса і в проточці плунжера при закритих клапанах або в отворах корпуса і в проточці гайки плунжера при відкритих клапанах Винахід відноситься до нафтогазодобувної промисловості, а саме інтенсифікації припливу із пласта, або збільшення приємистості нагнітальних свердловин ВІДОМІ конструкції пдроударних пристроів(ГП) 1) із розривними діафрагмами [1], 2)типуУСМД2-114[2], 3) типу КВД з ударним клапаном [3], 4) п о А С 1 615 341 [4] В склад ГП по [1] входить корпус, в якому закріплено з допомогою розпорних втулок ряд діафрагм, ніппель і корзина В центрі кожної діафрагми виконано отвори і кільцеві канавки, які знижують МІЦНІСТЬ діафрагм Діаметри отворів у різних діафрагмах різні, в корпусі діафрагми розміщаються так, щоб діафрагма з найменшим отвором була знизу, а в останніх діафрагмах діаметри отворів зростали знизу наверх Для проведення пдроудару ГП спускають у свердловину на колоні НКТ Отвір у нижній діафрагмі перекривають, кидаючи з поверхні кульку, діаметр якої дещо більший отвору в нижній діафрагмі, але менший отвору діафрагми 2-і знизу Піднімають в НКТ тиск до розриву діафрагми Для проведення повторних ударів знімають тиск в НКТ, кидають в ГП кулю такого діаметра, щоб вона перекрила отвір в діафрагмі 2-й знизу, і знову повторюють цикл робіт Для скидання кульок свердловину необхідно оснастити лубрикатором і двома корковими кранами Недоліки ГП по [1] а) ограничения в КІЛЬКОСТІ ударів, б) низька повторюваність результатів [1], в) недосконалість і висока вартість технології проведення ударів, г) забруднення вибою Недолік (а) визваний чисто коструктивними причинами КІЛЬКІСТЬ мембран ограничена асортиментом серійних кульок і габаритами ГП Так ГП по [1] має 6 мембран, а з практики відомо, що для значного збільшення дебіту часто треба створити (О 47612 на ПЗП КІЛЬКІСТЬ ударів, більшу на порядки підняти на устя верхню кульку, а тоді повторити Недолік (б) визваний тим, що діафрагми не весь процес завжди одинаково руйнуються До нестабільності Недоліки ГП по [2] може привести недосконалість структури металу, а) ККД гідроудару, створюваного ГП, є низьдопуски в розмірах при виготовленні діафрагм і ким, інше Внаслідок цього форма і амплітуда імпульб) сила гідроудару не регулюється, сів, які генеруються при розриві чергових діафв) технологія створення гідроудару є складною рагм, с різними [1] Зміна форми імпульса міняє і дорогою частотний і енергетичний вміст імпульса, що приНедолік (а) пояснюється наступним 3 енергеводить до зміни частини енергії, яка поглинається тичної точки зору гідроудар буде тоді давати найв пласті Таке явище пояснюється наступним чибільший ККД, коли його енергія буде засвоюватись ном Згідно ІЗ теорією спектрів [5] імпульс (гідротим об'ємом пласта, або привибійної зони пласудар є імпульсом тиску рідини) можна одержати із та(ПЗП), які необхідно обробити гідро ударом Чим набору неперервних коливань, нижня границя яких більше енергії буде проходити в ІНШІ об'єми, які не умовно дорівнює частоті повторення імпульсів, а підлягають обробці, тим менший буде ККД гідрозначна доля енергії вміщається в коливаннях, пеудару Радіуси закольматованих зон складають ріод яких приблизно в 4 рази більший фронту імдо 5см, коли закольматована ближня ПЗП, і до пульса Відомо [6], що фізико-хімічний ефект 500см, коли закольматована ближня і середня впливу коливань на тіло і затухання коливань у ТІЛІ зони пласта Діапазон частот коливань, які майже пропорцюнальні квадрату частоти коливання Зміповністю затухають на таких віддалях, можна на форми імпульсу приводить до зміни частот, на ограничити величинами 200кГц - 500Гц Періоди яких є максимуми енергії, до зміни віддалей, на які цих коливань складають ВІДПОВІДНО 5 - 2000мкс поширюються ці коливання з врахуванням поглиВиходячи з цих міркувань і застосовуючи теорію нань, а це, в свою чергу, приводить до зміни долі спектрів, оцінимо орієнтовно, наскільки параметри енергії, засвоюваної в об'ємах, які підлягають обколивань, створюваних ГП по [2] відповідають згаробці даним даним Насадка цього ГП починає рухатись при мінімальному перевищенні сили гідравлічного Недоліки (в) і (г) визвані необхідністю проветиску над силою пружини і над силою тертя Час дення багатократних повторних заряжань ГП діанаростання тиску до 20МПа у НКТ під дією насосфрагмами і кульками, що можна зробити при виконо-компресорного агрегату лежить в діапазоні від нанні дорогих повторних спуско-підйомних одиниць, або десятків секунд до хвилини [1] Тому операцій, а також забрудненням вибою кульками і швидкість руху насадки може бути оцінена десятчастинами діафрагм ками, або, в гіршому випадку, одиницями см/сек ГП по [2] складається з корпуса, в середину При діаметрі, радіального отвора в 1см час повноякого запресована втулка, а на КІНЦІ, закріплено го відкривання отвору, або довжина фронту гідроперехідники для з'єднання з НКТ В середині втулудару можуть бути оціненими в 1 секунду, що прики розміщено з можливістю осьового переміщення близно відповідає частоті 0,25Гц неперервного пустотілу насадку На одному із КІНЦІВ втулки викосинусоїдального коливання Співставляючи цей нано упор, на обох и кінцях - посадочні місця результат із сказаним вище, можна сказати, що верхнє і нижнє - під кульки, які можуть перекривакрутизна фронту гідро удару, створюваного ГП по ти, внутрішній осьовий отвір втулки Між кінцем [2], в 2000 - 800000 раз прше(більше) оптимальної насадки і упором втулки розміщена пружина В При таких параметрах гідроудару основна доля корпусі, втулці і в насадці виконано радіальні його енергії буде засвоюватись (затухати) не в меотвори, які при осьових переміщеннях насадки жах зони, яку необхідно обробити, а за и межами відносно втулки можуть співпадати, або бути переТаким чином, якщо ККД оцінити відношенням долі критими ГП обладнано також зворотними клапаенергії, засвоюваної оброблюваним об'ємом, до нами, які під дією зовнішнього тиску можуть відвсієї енергії, створюваної ГП, то приходимо до кривати потік рідини з міжтрубного простору в висновку, що ККД відомого ГП є низьким середину НКТ В початковому стані насадка під дією пружини знаходиться у верхньому положенні, радіальні отвори перекриті насадкою, зворотні клапани перекриті підпружиненими кульками, нижній осьовий клапан перекритий кулькою, верхній осьовий отвір відкритий(кульки нема) Для проведення ударів ГП опускають у свердловину на колоні НКТ Нижче ГП розміщають пакер і фільтр Рідину із міжтрубного простору видаляють через зворотні клапани у НКТ, закачуючи газ Відкривають верхній клапан, скидаючи з устя свердловини(з поверхні землі ) кульку, після чого збільшують тиск в НКТ При цьому насадка іде вниз, радіальні отвори з'єднують міжтрубний простір, де тиск є низьким, із підпакерним простором, де він є високим В результі рідина перетікає із підпакерного простору в міжтрубний простір, а на пласт діє "миттєва" депресія, або гідроудар Для повторення удару необхідно Крім того, отвір клапана є малим, що також зменшує енергію гідроудару Недолік (в) визваний необхідністю застосовувати додаткове обладнаня - азотну установку з компресором і насосний агрегат, технологічний цикл є складним бо передбачає додаткову закачку газу, стравлюваня його в атмосферу, відкачку робочої рідини, додатковий підйом кульки на поверхню і скидання її із поверхні в посадочне гніздо В склад ГП по [3] входить корпус, кулька і пружина Корпус з'єднано осьовим отвором клапана з джерелом тиску, а радіальними отворами - з оброблюваним об'ємом Кулька притиснута до осьового отвору корпуса пружиною і перекриває його Коли тиск на вході ГП стає більшим сили пружини, кулька відкриває отвір При певній величині витрати рідини тиск падає, кулька знову перекриває клапан, цикл повторюється, а ГП працює в режимі 47612 неперервних коливань,, Недоліки ГП по [3] дуже малий ресурс ГП - порядка 5хвилин [3], мала амплітуда коливань - до 5,5МПа ГП по [4] складається з патрубка, стакана, закріпленого в патрубку, підпружинених пустотілих золотників і підпружинених кульових запорних елементів, розміщених в осьових каналах стакана Золотники і стакан виконані з радіальними каналами В початковому стані радіальні канали золотника і стакана співпадають, канали патрубка і золотника перекриті кульками ГП опускають у свердловину на колоні НКГГ, заглушеній знизу і сполученій з підпакерною зоною В середині колони створюють надлишковий тиск, під дією якого кульки відкривають канали від патрубка в затруб Підчас перетоку рідини на золотниках створюється надлишок тиску, під дією якого золотники приходять в рух і перекривають радіальні канали із НКТ в затруб При цьому "миттєво" зростає тиск в підпакерній зоні і створюється пдроударна хвиля, яка поширюється вздовж свердловини і, частково, у пласт Недоліки ГП по [4] а) ККД гідроудару є низьким, б) сила гідроудару не регулюється Недолік (а) пояснюється тими ж причинами, що і в ГП по [2] Низький ККД ГП по [4] має ще одну від'ємну сторону Гідроудар руйнує кольматант, очищаючи ПЗП і, в якійсь мірі, колектор, і створює в ньому тріщини Одночасно гідроудар впливає і на обсадну колону і на цементне кріплення колони, що не є бажаним Чим більша доля енергії удару буде засвоєна об'ємом пласта, або привибійної зони пласта(ПЗП), які необхідно обробити, і, ВІДПОВІДНО, менша доля буде розсіюватись вздовж колони і в и кріпленні, тим менший буде від'ємний вплив удару на колону і на її кріплення Тому збільшення ККД(скороченя фронту удару) дозволяє зменшити від'ємний ВПЛИВ удару на свердловину Недолік (б) пояснюється наступним Для очистки свердловин із різною стеншню забруднення і різними типами колекторів потрібні енергії ударів різних рівнів У ГП по [4] не передбачено пристрою для регулювання енергії удару Цю енергію в даному ГП задає сила, необхідна для деформації пружини в момент відкриття клапану, але в ГП не передбачено спеціалізованого вузла регулювання сили пружини Задавати мінімально необхідну енергію удару необхідно ще з міркувань, зменшення від'ємного впливу гідроудару на обладнання свердловини В основу винаходу поставлено задачу спрощення технології проведення пдроударів і регулювання їх енергії, збільшення енергії ударів і їх ККД Поставлена задача вирішується тим, що ГП оснащений вузлом регульованого порогу, застосований у найбільш напружених вузлах змінними високостійкими деталями На фіг 1 - 4 приведена конструкція пропонованого ГП, на фіг 5 - компоновка обладнання для роботи ГП в свердловині В склад ГП входять корпус 1 з осьовим отвором 2, розділеним радіальною перегородкою 3 з осьовим отвором 4 на верхню і нижню частини, упорна гайка 5 і зачіп 6, закріплені на верхньому КІНЦІ корпуса, перехідник 7 і труба 8, закріплені на нижньому КІНЦІ корпуса, пружина зворотного ходу 9, розміщена в порожнині між корпусом і трубою, трубчатий плунжер 10, встановлений на корпусі між упорною гайкою 5 і пружиною 9, поршень 11 і гайка 12 поршня, встановлені у верхній частині осьового отвору корпуса, причому нижня частина поршня встановлена в отворі перегородки 3, а гайка поршня - між перегородкою і упорною гайкою, пружина 13 поршня, встановлена між упорною гайкою 5 і виступом верхнього кінця поршня, амортизатор 14 і ролики 15 В плунжері 10 і в гайці 12 поршня зроблено проточки 16, а в корпусі 1 радіальні отвори 17 під ролики 15 В радіальний отвір 19 корпуса і в паз 20 гайки 12 вставлено шпильку 21 Функцію клапана для руху рідини при пдроударі виконують радіальні отвори 22 в плунжері і 23 в корпусі На перехіднику 7 виконано конічне посадочне місце 24 В ГП застосовано ЗМІННІ твердосплавні трубки в плунжері трубку 25, а в гайці поршня - 26 При нульовому перепаду тисків плунжер під дією пружини 9 зворотного ходу(пружини плунжера) притиснутий до верхнього амортизатора 14 і фіксується в такому вихідному положенні роликами, які при цьому розміщаються у проточці плунжера і в отворах корпуса Отвори 22 і 23 клапана перекриті Для створення пдроударів ГП 27 опускають у свердловину 28(рис 2), у посадочне гніздо 29 СН ЗО, закріпленого на колоні НКТ 31 При цьому посадочне місце 24 корпуса ГП перекриває порожнину СН Нижче посадочного гнізда міжтрубний простір перекривають пакером 32 3 допомогою насосно-компресорного агрегату 33 піднімають тиск в НКТ, в результаті чого починає працювати СН ЗО При роботі СН знижується тиск в підпакерній зоні, в нижній частині отвору корпуса і в сполучених з отвором порожнинах плунжера і поршня В міру зростання перепаду тисків зростає сила F тиску кромки проточки 16 плунжера на ролики і радіальна сила, яка направлена на виштовхування роликів із проточки Одночасно перепад тисків, діє на поршень 11 і пересуває гайку 12 ВНИЗ(ВІДЛІК напрямків руху - по розміщенню ГП у свердловині) Коли проточка 16 гайки стане навпроти отворів 17 корпуса, плунжер 10 виштовхне ролики в проточку гайки, і під дією перепадів тиску буде рухатись з прискоренням вниз до нижнього амортизатора 14 Сила F', яка діє в цей час на плунжер, дорівнює F' = F-Fnp-FT (1) де - Fnp - сила пружини 7 плунжера, FT - сила тертя роликів Констуктивно вибрано F' » Fnp+FT, тому (2) F'^F При русі плунжера вниз його кромка стискає пружину 9 В крайньому нижньому положенні плунжера отвори 22 і 23 співпадуть Об'єми рідини з різними тисками з'єднаються на протязі короткого часу, в підпакерній зоні тиск різко підскочить, в надпакерній - різко понизиться Створиться гідроудар Сферична ударна хвиля(передній фронт, а за ним і коливальний процес) буде поширюватись вздовж стовбура свердловини і в радіальних напрямках, в тому числі і у пласт Формування сфе 47612 ричної хвилі пояснюється тим, що розміри випро% мінювача 0,02м(розміри отворів клапана) незрі% вняно менші довжин( 300--- 1500м) збуджуваних хвиль Після відкривання отворів клапана тиски в над- і підпакерній зонах короткочасно вирівняються, тому пружина 9 пересуне плунжер назад в початкове положення Одночасно гайка 12 поршня почне пересуватись наверх, натискаючи кромкою проточки на ролики і створюючи силу, яка направлена на виштовхування роликів із проточки Коли проточка гайки порівняється із отворами 17 корпуса, гайка 12 виштовхне ролики 18 назад в проточку плунжера При дальнійшому русі наверх гайка зафіксує ролики в проточці плунжера і в отворах корпуса При такому розміщенні роликів плунжер буде зафіксований у верхньому(початковому) положенні, а отвори клапана будуть закриті до повторного наростання тиску до рівня порогу спрацювання Таким чином ГП буде періодично створювати пдроударні імпульси до тих пір, поки різниця гідравлічних тисків на його вході і виході буде періодично наростати до величини, більшої порогу спрацювання( доки буде працювати насоснокомпресорний агрегат) Висока крутизна фронту, створюваного пропонованим ГП, пояснюється наступним При наявності порогу спрацювання плунжер починає рух не від мінімального перепаду тисків, як у прототипі, а під дією заданої порогової сили F Прискорення д, з яким рухається плунжер ПІД ДІЄЮ порогової сили F, визначимо за формулою Ньютона F/ (3) /m i = PS] (4) fleF Р - перепад тисків на плунжері, ~d J . площа нижнього торця плунжера, D і d- зовнішний і внутрішний діаметри торця плунжера Для реальних даних, наприклад Р= 400атм, D = 5см і d = 4см одержимо F = 2880кгс Час t проходження плунжером шляху до повного відкривання визначимо за формулою для рівномірно-прискореного руху B = ё (6) Час At відкривання отвору клапана визначимо за формулою де індекси (в) і (н) відносяться до верхньої і нижньої кромок отворів ВІДПОВІДНО Верхня кромка отвору в плунжері розміщена на віддалі 5см від аналогічної кромки отвору в корпусі Розміри ДІ_ отворів клапана вздовж осі труби, дорівнюють 1см Маса плунжера = 0,5кг Підставивши ці дані в (7), одержимо At = 0,01с Період гармоніки, яка відповідає цьому фронту, Т ~ 4At = 0,04с, що відповідає частоті 1/0,04=25Гц Згідно ІЗ теорією спектрів в такому імпульсі є і 8 вищі гармоніки, кратні частоті спрацьовування ГП Амплітуда цих гармонік обернено пропорцюнальна частоті гармоніки, але ефективність очистки ПЗП пропорцюнальна квадрату частоти гармоніки [6] Як видно з допомогою пропонованого ГП можна досягти значно коротшого фронту імпульса(на 2 3 порядки коротшого ніж у прототипі) і розширити спектр коливань Це дає такі переваги розширяється спектр генерованих коливань, тому росте ККД(більша доля енергії поглинається в ближній найбільш забрудненій зоні, а ефективність очистки зростає за рахунок вищих гармонік), зменшується негативний вплив пдроударів на обладнання свердловини(за рахунок високого ККД можна досягти доброї очистки при меншій амплітуді удару) Завдяки використанню змінних твердосплавних трубок 25 в плунжері і 26 в гайці поршня, а також роликів бочкоподібної форми росте ресурс ГП Остання перевага пояснюється наступним чином А) Відношення порогової сили F до сили FT тертя роликів по поверхні плунжера тим більше, чим остріший край торця проточки(чим менший радіус переходу від циліндричної поверхні до торцевої поверхні), тому торець проточки повинен бути острим Під ДІЄЮ СИЛИ F ролики перекочуються через кромку проточки Острі краї кромки мають малу площу При цьому нагрузки на кромку можуть перевищувати поріг текучості металу, і кромка буде притуплюватись Застосування змінних твердих(гартованих або твердосплавних) трубок зменшує притуплювання кромки Крім того, зменшенню притуплюваня сприяє застосування бочкоподібних роликів із діаметром кривизни, близьким до внутрішнього діаметра проточки в плунжері Така кривизна збільшує площу контактування, зменшує локальні контактні тиски і притуплювання кромки Досвід багатократного використання пропонованого ГП на свердловинах навіть із сферичними кільками і при відсутності замінних трубок показує, що його ресурс достатній для очистки 10 15 свердловин Така ДОВГОВІЧНІСТЬ значно вища ніж у відомих конструкціях Пропонований ГП має ще одну перевагу в ньому помилка відпрацювання порогу(затримка на спрацюваня) є незначною і на порядки меншою ніж у прототипі, що пояснюється короткочасністю процесу розблокування плунжера і високою швидкістю V його руху Так на віддалі 5см від проточки для приведених вище даних V = 151 м / с Із (6) видно, що для зменшення часу At відкривання отвору необхідно зменшувати масу m рухомої частини, розмір отвору ДІ_ і збільшує ати силу F Для зменшення маси m необхідно зменшувати об'єм плунжера, а саме площу його перерізу S і довжину Зменшення діаметра D і збільшення d ограничується міркуваннями МІЦНОСТІ І зменшенням сили F, вибрана трубчата форма плунжера дозволяє при мінімальній масі досягати високої СТІЙКОСТІ форми(при дії перепадів тиску) Мінімізації довжини плунжера досягається конструктивними мірами - взаємним розміщенням порогового 47612 вузла і клапана Для збільшення сили F необхідно збільшувати площу S перерізу плунжера, на яку діє перепад тисків - збільшувати D і зменшувати d 3 ростом діаметра D росте сила F, але росте і маса m плунжера і гідродинамічний опір рухові рідини в просторі між ГП і внутрішнім діаметром НКТ(на вході клапана) Для зменшення діаметра d необхідно зменшити діаметр осьового отвору в корпусі При цьому також буде зростати гідродинамічний опір на виході клапана Ріст опору приведе до затягування фронту 3 врахуванням складності форм кострукцій розрахунок гідродинамічного опору є недоцільним, а величини D і d в пропонованому ГП вибрані конструктивно, виходячи з мінімально допустимої МІЦНОСТІ конструкції ГП і очікуваної довжини фронту At Для зменшення гідродинамічного опору площа отворів клапана вибрана максимально великою з врахуванням мінімально допустимої МІЦНОСТІ плунжера і корпуса, а кромки отворів згладжені Пропонований ГП може працювати також і без СН в колоні НКГГ, оснащеній на рівні пласта поса ІГ.1 Фіг. 10 дочним гніздом, якщо створювати між НКТ і затрубним простором тиск з допомогою насоснокомпресорного агрегату Література 1 Кудинов В, Й , Сучков Б М Методы повышения производительности скважин Самара, 1996 2 Устройство УСМД2-114 для создания многократных высоких давлений на пласт Техническое описание и инструкция к эксплуатации СКТБ "НЕДРА" Ивано-Франковск, 1988 3 Дыбленко В П и др Повышение продуктивности й реанимация скважин с применением виброволнового воздействия - М "Недра", 2000 4 Бурнашов Л Д , Шмырин В Устройство для воздействия на призабойную зону скважин АС 1 615 341 МКИ Е 21 В 43/25 БИ 1990 5 Андре Арго Математика для радиоинженеров - М Наука, 1965 6 Кузнецов О Л , Ефимова С А Применение ультразвука в нефтяной промышленности - М "Недра" 1983 11 47612 Фіг. 5 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 12