Пристрій гідроударний двоклапанний

1 Пристрій пдроударний двоклапанний, в склад якого входить трубчатий корпус, золотник і радіальний клапан, який відрізняється тим, що він додатково оснащений нормально відкритим осьовим клапаном і вузлами регульованого порога спрацьовування клапанів, а також зачепом, закріпленим на корпусі, при чому осьовий клапан встановлено на перегородці золотника, оснащеній осьовими отворами, а радіальний клапан утворений радіальними отворами корпуса і золотника 2 Пристрій за п 1, в якому в склад порогового вузла радіального клапана входять кульки, встановлені в радіальних отворах корпуса і притиснуті до зовнішньої циліндричної поверхні золотника, порогова регулювальна гайка, встановлена на різі зовнішньої поверхні корпуса, плоскі пружини, встановлені в пазах зовнішньої поверхні корпуса між пороговою регулювальною гайкою і корпусом і притиснуті до кульок, золотник, оснащений проточкою під ролики, регулювальною гайкою, встановленою на різі внутрішньої поверхні корпуса, і зворотною пружиною, встановленою між регулювальною гайкою і золотником З Пристрій за п 1, в склад осьового клапана якого входить вал, встановлений на перегородці золотника, оснащений проточкою під ролики, трубка з тарілкою клапана, встановлені на валу, кульки, встановлені в радіальних отворах трубки і притиснуті до циліндричної поверхні вала, шайба, притиснута до роликів під кутом до осі, порогова регулювальна гайка, встановлена на різі трубки, порогова пружина, встановлена на поверхні трубки між шайбою і гайкою, і зворотна пружина, встановлена між перегородкою золотника і трубкою Винахід відноситься до нафтогазодобувної промисловості, а саме до інтенсифікації припливу із пласта, або збільшення приємистості нагнітальних свердловин ВІДОМІ конструкції пристроїв пдроударних (ПГ) 1) із розривними діафрагмами [1], 2)типуУСМД2-114[2], 3) типу КВД з ударним клапаном [3], 4) поАС1 615 341 [4] В склад ПГ по [1] входить корпус, в якому закріплено з допомогою розпорних втулок ряд діафрагм, ніппель і корзину 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 інших діафрагмах - щоб діаметри отворів зростали знизу наверх Для проведення пдроудару ПГ спускають у свердловину на колоні насосно-компресорних труб (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 ПГ 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 Суттєвою ознакою аналога, що збігається із ознакою заявлюваного пристрою, є пороговий пристрій, виконаний в даному аналозі у виді розривної діафрагми Недоліки ПГ по [1] а) обмеження в КІЛЬКОСТІ ударів, б) низька повторюваність результатів [1], в) недосконалість і висока вартість технології проведення ударів, г) забруднення вибою Недолік (а) визваний чисто конструктивними причинами КІЛЬКІСТЬ мембран обмежена асортиментом серійних кульок і габаритами ПГ Так ПГ по [1| має 6 мембран, а з практики відомо, що для СО сч (О Ю ю 55623 міжтрубний простір, а на пласт діє "миттєва" депресія, або гідроудар Для повторення удару необхідно підняти на устя верхню кульку, а тоді повторити весь процес Суттєвими ознаками аналога, що збігаються Із ознаками заявлюваного пристрою, є наявність радіального клапана і підпружиненої насадки Недоліки ПГ по [2] а) коефіцієнт корисної дії (ККД) пдроудару, створюваного ПГ, є низьким, б) сила пдроудару не регулюється, в) технологія створення пдроудару є складною і дорогою, г) понижена надійність, визвана чутливістю до імпульсних складових тиску Недолік (а) пояснюється наступним 3 енергетичної точки зору гідроудар буде тоді давати найбільший ККД, коли його енергія буде засвоюватись тим об'ємом пласта, або привибійної зони пласта (ПЗП), які необхідно обробити пдроударом Чим більше енергії буде проходити в ІНШІ об'єми, які не підлягають обробці, тим менший буде ККД пдроудару Радіуси закольматованих зон складають приблизно до 5см, коли закольматована ближня ПЗП, і до 500см, коли закольматована ближня і середня зони пласта Діапазон частот коливань, які майже повністю затухають на таких віддалях, можна обмежити величинами 200кГц 500Гц Періоди цих коливань складають ВІДПОВІДНО 5 Недоліки (в) і (г) спричинені необхідністю про2000мкс Виходячи з цих міркувань і застосовуючи ведення багаторазових повторних заряджань ПГ теорію спектрів, оцінимо орієнтовно, наскільки діафрагмами і кульками, що можна зробити при параметри коливань, створюваних ПГ по [2] відповиконанні дорогих повторних спуско-підйомних відають згаданим даним Насадка цього ПГ почиоперацій, а також забрудненням вибою кульками і нає рухатись при мінімальному перевищенні сили частинами діафрагм гідравлічного тиску над силою пружини і над сиПГ по [2] складається з корпуса, в середину лою тертя Час наростання тиску до 20МПа у НКТ якого запресована втулка, а на КІНЦІ закріплено під дією насосно-компресорного агрегату лежить в перехідники для з'єднання з НКТ В середині втулдіапазоні від одиниць, або десятків секунд до хвики розміщено з можливістю осьового переміщення лини [1] Тому швидкість руху насадки може бути пустотілу насадку На одному із КІНЦІВ втулки викооцінена десятками, або, в гіршому випадку, одинано упор, на обох и кінцях - посадочні місця ницями см/сек При діаметрі, радіального отвору в верхнє і нижнє - під кульки, які можуть перекрива1см час повного відкривання отвору, або довжина ти внутрішній осьовий отвір втулки Між кінцем фронту пдроудару можуть бути оціненими в 1 сенасадки і упором втулки розміщена пружина В кунду, що приблизно відповідає частоті 0,25Гц корпусі, втулці і в насадці виконано радіальні неперервного синусоїдального коливання Співсотвори, які при осьових переміщеннях насадки тавляючи цей результат із сказаним вище, можна відносно втулки можуть співпадати або бути пересказати, що крутизна фронту пдроудару, створюкритими ПГ обладнано також зворотними клапаваного ПГ по [2], в 2000 800000 раз гірше (більнами, які під дією зовнішнього тиску можуть відше) оптимальної При таких параметрах пдроудакривати потік рідини із міжтрубного простору в ру основна доля його енергії буде засвоюватись середину НКТ (затухати) не в межах зони, яку необхідно обробиВ початковому стані насадка під дією пружини ти, а за и межами Таким чином, якщо ККД оцінити знаходиться у верхньому положенні, радіальні відношенням долі енергії, засвоюваної оброблюотвори перекриті насадкою, зворотні клапани певаним об'ємом, до всієї енергії, створюваної ПГ, то рекриті, нижній осьовий клапан перекритий кульприходимо до висновку, що ККД відомого ПГ є кою, верхній осьовий отвір відкритий (кульки ненизьким ма) Для проведення ударів ПГ опускають у свердловину на колоні НКТ Нижче ПГ розміщують Збільшення ККД (скорочення фронту удару) пакер і фільтр Рідину із міжтрубного простору видозволяє зменшити від'ємний ВПЛИВ удару на сведаляють через зворотні клапани ПГ, закачуючи у рдловину Пояснення цього твердження таке ГідНКТ газ Відкривають радіальний клапан, для чого роудар руйнує кольматант, очищаючи ПЗП і, в спочатку скидають з устя свердловини (із поверхні якійсь мірі, колектор, і створює в ньому тріщини землі) кульку, а потім збільшують тиск в НКТ При Одночасно гідроудар впливає і на обсадну колону цьому насадка іде вниз, радіальні отвори з'єднуі на цементне кріплення колони, що не є бажаним ють міжтрубний простір, де тиск є низьким, із підЧим більша доля енергії удару буде засвоєна непакерним простором, де він є високим В резульвеликим об'ємом привибійної зони пласта, які нетаті рідина перетікає із підпакерного простору в обхідно обробити, і, ВІДПОВІДНО, менша доля буде значного збільшення дебіту часто треба створити на привибійній зоні пласта (ПЗП) КІЛЬКІСТЬ ударів, більшу на порядки Недолік (б) визваний тим, що діафрагми не завжди однаково руйнуються До нестабільності може привести недосконалість структури металу, допуски в розмірах при виготовленні діафрагм і інше Внаслідок цього форма і амплітуда імпульсів, які генеруються при розриві чергових діафрагм, є різними [1] Зміна форми імпульсу міняє частотний і енергетичний вміст імпульсу [5], що приводить до зміни частини енергії, яка поглинається в пласті Таке явище пояснюється наступним чином Згідно ІЗ теорією спектрів [4] імпульс (гідроудар є імпульсом тиску рідини) можна одержати із набору неперервних коливань, нижня границя яких умовно дорівнює частоті повторення імпульсів, а значна доля енергії вміщається в коливаннях, період яких приблизно в 4 рази більший фронту імпульса Відомо [б], що фізико-хімічний ефект впливу коливань на тіло і затухання коливань у ТІЛІ пропорцюнальні квадрату частоти коливання Зміна форми імпульсу приводить до зміни частот, на яких є максимуми енергії, до зміни віддалей, на які поширюються ці коливання з врахуванням поглинань, а це, свою чергу, приводить до зміни долі енергії, засвоюваної в об'ємах, які підлягають обробці розсіюватись за межами цього об'єму і вздовж колони, в її кріпленні, тим менший буде від'ємний вплив удару на колону і на її кріплення Недолік (б) пояснюється наступним Для очистки свердловин із різним ступенем забруднення і різними типами колекторів потрібні енергії ударів різних рівнів У ПГ по [2] не передбачено пристрою для регулювання енергії удару Цю енергію в даному ПГ задає сила, необхідна для деформації пружини на момент відкриття клапана, але в ПГ не передбачено спеціалізованого вузла регулювання сили пружини Задавати мінімально необхідну енергію удару необхідно ще з міркувань зменшення від'ємного впливу пдроудару на обладнання свердловини Недолік (в) визваний необхідністю застосовувати додаткове обладнання - азотну установку з компресором і насосний агрегат, технологічний цикл є складним, бо передбачає додаткову закачку газу, стравлювання його в атмосферу, відкачку робочої рідини, додатковий підйом кульки на поверхню і повторне скидання її із поверхні в посадочне гніздо Недолік (г) пояснюється наступним Тиск в НКТ створюють поршневими агрегатами В складі такого тиску є імпульсна і постійна складові Під дією імпульсної складової насадка здійснює імпульсні коливання, які зменшують ресурс ГП [3] 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 неперервних коливань Суттєвою ознакою аналога, що збігається із ознакою заявлюваного пристрою, є наявність підпружиненого клапана Недоліки ГП по [3] дуже малий ресурс ГП - порядка 5 хвилин [3], мала амплітуда коливань - до 5,5МПа [3] За прототип вибраний ГП за [4] В його склад входить трубчатий корпус, стакан, закріплений в трубі, підпружинені пустотілі золотники і підпружинені кульові запорні елементи, розміщені в осьових каналах стакана Золотники і стакан виконані з радіальними каналами В початковому стані радіальні канали золотника і стакана співпадають, канали корпуса і золотника перекриті кульками ГП опускають у свердловину на колоні НКТ, заглушеній знизу і сполученій з підпакерною зоною В середині колони створюють надлишковий тиск, під дією якого кульки відкривають канали від корпуса 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 Для створення наступних ударів скидають і знову піднімають тиск в НКТ Суттєвими ознаками прототипу, що збігаються із ознаками заявлюваного пристрою, є наявність 55623 корпуса, золотника і радіальних клапанів Недоліки ГП по [4] а) ККД пдроудару є низьким, б) сила пдроудару не регулюється, в) необхідність в скиданню і повторному ПІДЙОМІ тиску для створення наступних гідроударів, г) понижена надійність, визвана чутливістю до імпульсних складових тиску Недоліки (а), (б) і (г) пояснюються тими ж причинами, що і в ГП по [2] В основу винаходу поставлено задачу спрощення технології проведення гідроударів і регулювання їх енергії, збільшення ККД гідроударів і надійності роботи пристрою Для досягнення поставленої задачі пристрій, в склад якого входить корпус, золотник і радіальні клапани, додатково оснащений вузлами регульованого порогу і закриваючим клапаном На фіг 1 приведено осьовий розріз пристрою пдроударного двоклапанного (ПГДК), на фіг 2, 3, 4, 5 нормальні розрізи ПГДК На фіг 6 показано компоновку обладнання для роботи ПГДК в свердловині В склад пропонованого ПГДК входять зачіп 1, корпус 2, золотник 3, закриваючий осьовий клапан 4 В корпусі виконано отвори 5 для подачі тиску на осьовий клапан, отвори 6 радіального клапана, отвори 7 під кульки 8 В золотнику виконано сідло 9 осьового закриваючого клапана, отвори 10 радіального клапана, і проточку 11 під кульки 8 Золотник притиснутий знизу пружиною 12 і гайкою 13 Кульки 8 притиснуті до проточки 11 з допомогою пружин 14 і гайки 15 Пружини 14 розмішені в пазах 16 Проточка, кульки, пружини 12 і 14, гайки 13 і 15 входять в склад порогового пристрою золотника Закриваючий клапан встановлено на перегородці 17 золотника В його склад входять вал 18 з проточкою 19, трубка 20 з тарілкою 21, кульки 22, встановлені в отворах 23 трубки, шайба 24, пружина порогова 25, гайка 26 і пружина зворотна 27 Елементи 1 8 - 2 7 входять в склад порогового пристрою осьового клапана В нижній частині корпуса виконано посадочне гніздо 28 Підчас роботи ПГДК його вузли находиться під дією високого або низького тисків, позначених Рв і Рн Об'єми, в яких діють ці тиски при роботі в свердловині, умовно показані на фіг 1 точковопунктирними ЛІНІЯМИ Верх корпуса і осьового клапана з'єднані із об'ємом Рв, низ корпуса (нижче посадочного місця), низ і внутрішня поверхня золотника з'єднані із об'ємом Рн В початковому стані Рв = Рн, тарілка 21 і золотник 3 під дією пружин знаходяться у верхньому положенні Осьовий клапан відкритий, радіальний клапан закритий Поріг спрацьовування осьового клапана встановлюється гайкою 26, з допомогою якої міняється величина початкової деформації пружини 25, а також прокручуванням вала в різьбі перегородки, при якому встановлюється величина початкової щілини між тарілкою і золотником Поріг спрацьовування радіального клапана встановлюється гайкою 15 Поріг спрацьовування осьового клапана менший порогу радіального клапана Після запуску насосного агрегату перепад тисків Рв - Рн на осьовому клапані порівняно повільно зростає, і при різниці Рв - Рн, рівній порогу, тарілка 55623 8 в його спектрі є багато ще вищих гармонік з високою швидкістю закриває осьову щілину зоПеревіримо можливість повернення золотника лотника Вище ПГДК тиск різко зростає, нижче в початкове положення Зворотний рух золотника падає Створюється перша половина пдроудару відбувається під дією рівнодійної сили SF = Fnp - FT Після закривання осьового клапана різниця тисків знову зростає, і при різниці більшій порогу раді-F P , ального клапана золотник зривається із фіксатора Де Під ДІЄЮ великої сили він рухається вниз і відкриFnp - сила зворотної пружини 12, ває радіальний клапан (отвори 6 і 10) Об'єми Рв і FT - сила тертя роликів по поверхні золотника І Рн з'єднуються, створюється друга половина пдрокорпуса, удару, при якому тиск на ПЗП різко підскакує, тиск Fp - сила тиску рідини в НКТ - різко падає, а потім ці тиски вирівнюються Золотник повернеться в початкове положення, При Рв и Рн клапани повертаються в початкове якщо SF > 0, або Fp < Fnpn + FT, де Fnpn - сила пруположення жини в момент повернення золотника в початкове Для проведення робіт по очистці привиположення бійної зони пласта (фіг 4) ПГДК опускають у сверЗгідно ІЗ вибраними конструктивними рішендловину 29 в колоні НКТ ЗО При цьому посадочне нями Fnpn = 500, FT = 400Н, Fnpn + FT = 900Н Згідно місце 28 корпуса ПГДК сідає у посадочне гніздо 31 Із [7] струминного насоса (СН) 32 і перекриває порожFp = pQv (3) нину НКТ Нижче посадочного гнізда міжтрубний Q < (Fnp + FT)/pv (4) простір перекривають пакером 33 3 допомогою Швидкість зворотного руху золотника оцінимо, насосно-компресорного агрегату 34 піднімають виходячи із таких міркувань сила пружини 12 при тиск в НКТ, в результаті чого починає працювати повністю відкритому і закритому клапані 1000Н І СН При роботі СН знижується тиск в підпакерній 750Н ВІДПОВІДНО (задано конструктивно), середнє зоні, в нижній частині отвору корпуса ПГДК і в спозначення сили пружини за час закривання клапана лучених з отвором порожнинах золотника і порш(1000 + 750)/2 = 875Н Швидкість, яку розвиває ня Коли різниця тисків досягне порогу осьового золотник на момент закривання клапана під дією клапана, ПГДК створить від'ємний пдроудар, а при сили 875 - 400 = 475Н знайдемо із формул L = подальшому підтримуванні тиску, більшого порогу at2/2, a = F/m = 475/0,1 = 4750м/с При довжині радіального клапана, буде періодично генерувати 12 / парні удари отвору радіального клапана L = 1см t = (2-L/a) = 0,006с, v = 2L/t = 33,3м/с, р = 1000кг/м3 Тому Q < При роботі ПГДК створює імпульси з високою (Fnp + FT)/pv = 0,0027м3/с = 27л/с крутизною фронтів, що пояснюється наступним Враховуючи, що найбільша продуктивПри наявності порогу спрацювання закриваючий ність потужного насосного агрегату НА-700 не пеклапан і золотник спрацьовують не від мінімальноревищує 20л/с, а підчас роботи з пдроударником го перепаду тисків, як у прототипі, а під дією задаагрегат працює на малій потужності, робимо виних порогових сил, величини яких встановлюють, сновок, що золотник ПГДК вспіває повернутись в виходячи із наступних міркувань Сила F, під дією початкове положення навіть при наявності імпульякої рідина рухає золотник вниз, F = P-S, де S сної складової тиску площа золотника Протидією пружини 12 і силою Переваги пропонованого ПГДК тертя кульок нехтуємо Ця протидія значно менша, 1 ПГДК створює імпульси з довжиною фронту що досягається вибором параметрів пружини 12 і на 2 порядки (0,1/0,001 = 100) меншою, ніж в імпуглибини проточки 11 Задаємось порогова велильсах, створюваних прототипом Відомо [5], що чина тиску радіального клапана Р = 100кгс/см2, чим коротший фронт імпульсу, тим ширший спектр діаметр золотника 4см Тоді F = 100-3, 14-42/4 = і тим більший вміст енергії високочастотних скла1256кгс = 12560Н Швидкість руху золотника оцідових нимо із формули рівномірно-прискореного руху 2 ПГДК мало чутливий до імпульсного тиску, L = a-t2/2 (1) створюваного поршневими насосноДе компресорними агрегатами, які застосовуються на L - шлях, пройдений золотником до моменту свердловинах відкривання клапана, 3 ПГДК порівняно простий конструктивно і а - прискорення, малий по габаритах t - час проходження шляху, 4 ПГДК може створювати імпульси в дуже але а = F/m, широкому діапазоні енергій, що потрібно при очисm - маса золотника тці різних свердловин Тому 5 Згідно ІЗ приведеними вище аргументами m t = (2-L-m/F) (2) ККД і ефективність ПГДК при очистці кольматанта Задавшись L = 1см = 0,01м, m = 0,1кг, одерзначно вищі і ближчі до оптимальних порівняно із жимо t = 0,0003с Прийнявши, що в першу мить прототипом після відкривання клапана швидкість золотника ПГДК може працювати також і без СН в колоні зміниться незначно, що тиск при відкриванні клаНКТ, оснащеній на рівні пласта посадочним гнізпана міняється експоненціальне, дуже різко і найдом, якщо створювати між НКТ і затрубним просбільш інтенсивно на початку відкривання клапана тором тиск з допомогою насосно-компресорного [7] і задавшись довжиною фронту tf = 0,11, одерагрегату жимо tf = 0,00003с Частота гармоніки в спектрі Література імпульсу, яка відповідає цьому фронту, f = 1/4tf = 1 Кудинов В Й , Сучков Б М Методы повыше1/4-0,00003 = 8300Гц Імпульс дуже короткий, тому ния производительности скважин Самара, 1996 55623 10 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 7 Вакина В В , Денисенко И Д , Столяров А Л Машиностроительная гидравлика К, 1987 2 Устройство УСМД2-114 для создания многократных высоких давлений на пласт Техническое описание и инструкция к эксплуатации СКТБ "НЕДРА", г Ивано-Франковск, 1988 3 Дыбленко В П и др Повышение продуктивности й реанимация скважин с применением виброволнового воздействия М , "Недра", 2000 г 4 Устройство для воздействия на призабойную зону скважин Бурнашов Л Д , Шмырин В Г АС [/Я ФІГ.1 А - А(М Фіг.2 2:1) Фіг.З 55623 12 Фіг.4 Фіг.5 Фіг.6 Підписано до друку 05 05 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24