Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине

 

Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине используется для повышения нефтеотдачи пластов в эксплуатационных скважинах и улучшения приемистости в нагнетательных скважинах. Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине содержит приводной узел, выполненный в виде винтового героторного механизма. Этот механизм включает статор и ротор, прерыватель потока и опорный узел. Статор имеет внутренние винтовые зубья, а ротор - наружные винтовые зубья. Число наружных винтовых зубьев на единицу меньше числа зубьев статора. Прерыватель потока включает заслонку, связанную с ротором. Заглушка связана со статором и имеет отверстие для прохода жидкости в зоне расположения заслонки. В верхней части устройства расположен опорный узел, выполненный, например, в виде пяты и шара, размещенного между ротором и пятой. Заслонка прерывателя потока может иметь на боковой поверхности выемки. Рабочая жидкость подается с поверхности по межколонному пространству. Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине позволяет получить импульсы давления со сниженной частотой и повышенной амплитудой пульсаций, что повышает эффективность воздействия на пласт. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике гидроимпульсного воздействия на пласты в скважинах, применяемого с целью повышения нефтеотдачи продуктивных пластов в эксплуатационных скважинах и улучшения приемистости в водонагнетательных скважинах.

Известно устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине, выполненное в виде гидравлического клапанного механизма - вибратора (см. книгу С.М. Гадиев "Использование вибрации в добыче нефти", М, Недра, 1977, с. 150), в котором рабочий орган (золотник) совершает возвратно-поступательное движение, периодически перекрывая проходное сечение потока, при этом создаются гидравлические импульсы давления и механические вибрации.

Известен также гидродинамический пульсатор (патент РФ N 2054532, M. кл. 6 E 21 B 43/25, опубл. Бюл. изобретений N 5, 1996), включающий полый корпус с выходными каналами, импульсные трубки, сообщенную с корпусом камеру c установленным в ней рабочим органом двойного действия, выполненным в виде шайбы с возможностью поочередного перекрытия выходных каналов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине (см. книгу Гадиев С.М. "Использование вибраций в добыче нефти", М, Недра, 1977, с. 144, рис. 84).

Известное устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине содержит приводной узел, прерыватель потока и опорный узел. Приводной узел включает неподвижный статор и подвижный ротор. Статор выполнен цилиндрическим и имеет отверстия в виде продольных прорезей, выполненных наклонно по отношению к образующей цилиндрической поверхности, и присоединен к нижнему концу колонны насосно-компрессорных труб. На статоре установлен в подшипниках опорного узла трубчатый ротор, также имеющий продольные прорези, наклонные к образующей ротора в противоположном направлении по отношению к прорезям статора. В нижней части устройства размещен сетчатый фильтр, предназначенный для предохранения от попадания в устройство крупных абразивных частиц. При подаче промывочной жидкости из затрубного пространства пара "ротор-статор" за счет противоположного направления прорезей выполняет роль гидродинамического приводного узла. Под действием энергии потока жидкости ротор совершает вращательное движение относительно статора, при этом прорези статора периодически перекрываются телом стенок ротора, который выполняет роль прерывателя потока. За счет перекрытия потока в жидкости возникают циклические колебания, которые передаются в затрубное пространство и воздействуют на пласт.

Известное устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине имеет следующие недостатки.

1. Высокая частота гидравлических пульсаций (300-500 Гц), что приводит к ограниченной глубине гидроимпульсного воздействия на пласт, величина которой обратно пропорциональна корню квадратному из частоты пульсации. Высокая частота гидравлических пульсаций определяется частотой вращения ротора приводного узла, которая при четырех прорезях в роторе и статоре составляет, соответственно, 75-125 оборотов в секунду.

2. Работа устройства возможна только на технически чистых жидкостях. При работе на жидкостях с абразивными примесями при высоких скоростях вращения происходит быстрый износ приводного узла с увеличением зазоров между ротором и статором, что приводит к уменьшению скорости вращения ротора, частоты пульсации и величины импульсов давления, то есть к снижению эффективности воздействия на пласт, а также снижается надежность и долговечность устройства.

3. Существенное затухание гидравлического импульса внутри устройства вследствие того, что прерыватель потока, в котором создаются импульсы, и пласт, подлежащий обработке, разделены гидроакустическим сопротивлением в виде фильтра.

Задача настоящего изобретения - предложить устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине, в котором устранены указанные недостатки известного устройства и которое обеспечивает повышение эффективности гидроимпульсного воздействия на пласт и способствует увеличению нефтеотдачи пластов.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом устройстве для создания гидравлических импульсов давления в скважине, содержащем приводной узел, включающий статор и ротор, прерыватель потока с отверстием для прохода жидкости и опорный узел, согласно изобретению приводной узел выполнен в виде винтового героторного механизма, статор которого имеет внутренние винтовые зубья, ротор выполнен с наружными винтовыми зубьями для взаимодействия с внутренними винтовыми зубьями статора, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев, а прерыватель потока содержит заслонку, связанную с ротором и заглушку статора, причем отверстие для прохода жидкости выполнено в заглушке статора в зоне размещения заслонки.

Выполнение приводного узла в виде винтового героторного механизма позволяет получить значительно сниженную частоту пульсаций давления, снизить частоту вращения ротора, так как ротор, совершая планетарное движение, при обкатывании своими зубьями по зубьям статора, имеет пониженную в Z раз частоту абсолютного вращения, и получить жесткую зависимость частоты вращения ротора от расхода жидкости. Поскольку заслонка прерывателя потока связана с планетарно движущимся ротором, она периодически приближается к отверстию для прохода жидкости, выполненному в заглушке статора в зоне размещения заслонки, и удаляется от него на величину удвоенного эксцентриситета, при этом гидравлическое сопротивление потоку жидкости периодически возрастает и уменьшается, то есть возникают пульсации давления жидкости пониженной частоты, которые имеют большую глубину проникновения в пласт и оказывают эффективное воздействие на него.

Другим отличием изобретения является то, что заслонка прерывателя потока снабжена выемками, количество К которых определяется из соотношения K = f/ω_a, где f - частота пульсации давления жидкости, Гц, ω_a - частота абсолютного вращения ротора, с^-1.

За счет того, что заслонка прерывателя потока снабжена выемками, количество которых определяется из указанного соотношения, обеспечивается увеличение амплитуды импульсов давления в результате увеличения расстояния от кромки отверстия для прохода жидкости до заслонки прерывателя потока, когда при планетарном вращении ротора выемка находится напротив отверстия. Это также позволяет снизить частоту пульсации давления, что повышает эффективность воздействия на пласт.

На фиг. 1 показан общий вид устройства для создания гидравлических импульсов давления в скважине в продольном разрезе, на фиг. 2 изображено поперечное сечение устройства по линии А-А в месте расположения ротора и статора, на фиг. 3 - показано поперечное сечение по линии Б-Б в месте расположения прерывателя потока, а на фиг. 4 изображено поперечное сечение по линии Б-Б варианта выполнения устройства, когда заслонка прерывателя снабжена выемками.

Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине содержит приводной узел 1, выполненный в виде винтового героторного механизма, включающего статор 2 и ротор 3, прерыватель потока 4 и опорный узел 5.

Статор 2 приводного узла 1 имеет внутренние винтовые зубья 6, а ротор 3 имеет наружные винтовые зубья 7. Число Z₁ зубьев 7 ротора 3 выполнено на единицу меньше числа Z₂ зубьев 6 статора 2. Ось O₁O₁ ротора 3 смещена относительно оси O₂О₂ статора 2 на величину эксцентриситета "е", равную половине радиальной высоты "h" зубьев ротора 3 и статора 2. Шаги Т₁ и Т₂ соответствующих винтовых линий зубьев 7 ротора 3 и зубьев 6 статора 2 пропорциональны числам зубьев Z₁ и Z₂. Предпочтительным является выполнение зубьев 6 статора 2 из эластомерного материала, например из резины, так как резина обладает лучшей износостойкостью при работе в забойных условиях.

Прерыватель потока 4 включает заслонку 8, связанную с ротором 3, например, посредством резьбового соединения 9, и заглушку 10, соединенную со статором 2 посредством резьбового соединения 11. Прерыватель потока 4 имеет отверстие 12 для прохода жидкости, выполненное в заглушке 10, в зоне размещения заслонки 8. Отверстие 12 для прохода жидкости выполнено в цилиндрической части заглушки 10 перпендикулярно оси O₂O₂ статора 2. Этот вариант расположения отверстия 12 является предпочтительным, хотя возможно выполнение отверстия 12 и в другом месте заглушки 10, например, в ее торцовой части.

В верхней части устройства расположен опорный узел 5, выполненный в виде пяты 13 с отверстиями 14 для прохода жидкости и шара 15, размещенного между ротором 3 и пятой 13. К верхнему концу статора 2 посредством резьбового соединения 16 присоединен переводник 17 для соединения устройства с колонной труб (на фиг. не показана).

Заслонка 8 прерывателя потока 4 может иметь на боковой поверхности выемки 18, количество К которых определяется из соотношения K = f/ω_a, где f - частота пульсаций давления жидкости, Гц, ω_a - частота абсолютного вращения ротора, с^-1.

Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине работает следующим образом. Рабочая жидкость подается в скважину с поверхности по межколонному пространству (скважина и межколонное пространство на фиг. не показаны) и поступает в нижнюю часть устройства через отверстие 12 в заглушке статора 10. Проходя в приводной узел 1, жидкость создает неуравновешенное давление на боковую поверхность ротора 3, которое вынуждает ротор 3 совершать планетарное движение, обкатываясь своими зубьями 7 по зубьям 6 статора 2. Ось O₁O₁ ротора 3 совершает переносное вращение вокруг оси O₂O₂ статора 2 в одном направлении (например, по часовой стрелке, если смотреть сверху, при левом направлении винтовых зубьев 6, 7 ротора 3 и статора 2), а сам ротор 3 совершает абсолютное вращение относительно своей оси O₁О₁ в противоположном направлении (против часовой стрелки при том же расположении наблюдателя), при этом отношение угловых скоростей переносного ω_п абсолютного ω_a вращений равно числу зубьев Z₁ ротора 3: ω_п/ω_a= Z₁. В течение каждого переносного оборота ротора 3 соединенная с ним заслонка 8 прерывателя потока 4 приближается и удаляется на величину удвоенного эксцентриситета относительно отверстия 12 заглушки 10, при этом соответственно увеличивается и уменьшается гидравлическое сопротивление потоку жидкости, поступающей в устройство через отверстие 12, то есть создаются импульсы давления снаружи устройства на входе в отверстие 12, направленное на обрабатываемый пласт и находящееся в непосредственной близкости к нему, за счет чего повышается эффективность гидроимпульсного воздействия на пласт.

Амплитуда импульсов давления, возникающих в устройстве, зависит от величины перемещения заслонки 8 относительно кромки отверстия 12 и увеличивается с увеличением максимального расстояния от кромки отверстия 12 до заслонки 8. Для увеличения амплитуды импульсов давления на боковой поверхности заслонки 8 могут быть выполнены выемки 18, позволяющие увеличить расстояние от кромки отверстия 12 до заслонки 8. Кроме увеличения амплитуды импульсов давления, выполнение выемок 18 на заслонке 8 приводит к снижению частоты импульсов давления, создаваемых устройством, в Z₁/К раз по сравнению с частотой импульсов при выполнении заслонки без выемок 18. Это происходит оттого, что в моменты нахождения выемок 18 против отверстия 12 величина импульсов давления незначительна ввиду большого расстояния 12 до дна выемок 18. В результате увеличения амплитуды импульсов давления и снижения их частоты при выполнении заслонки 8 с выемками 18 обеспечивается увеличение глубины проникновения импульсов в пласт и повышение эффективности воздействия на пласт.

Как показали испытания устройства диаметром 88 мм с ротором, имеющим 9 зубьев, статором с 10 зубьями и двумя выемками на заслонке ротора, при расходе жидкости 5-7 л/с были получены импульсы давления с частотой 9-12 Гц, что в 30-50 раз ниже чем у прототипа, с амплитудой пульсации давления 1,5-3,0 МПа, при этом гидравлическая мощность пульсацийи составляла соответственно 7-20 кВт, что позволяет увеличить эффективность гидроимпульсного воздействия на пласт.

Формула изобретения

1. Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине, содержащее приводной узел, включающий статор и ротор, прерыватель потока с отверстием для прохода жидкости и опорный узел, отличающееся тем, что приводной узел выполнен в виде винтового героторного механизма, статор которого имеет внутренние винтовые зубья, ротор содержит наружные винтовые зубья для взаимодействия с винтовыми зубьями статора, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев, прерыватель потока включает заслонку, связанную с ротором, и заглушку статора, а отверстие для прохода жидкости выполнено в заглушке статора в зоне размещения заслонки.

2. Устройство для создания гидравлических импульсов давления в скважине по п.1, отличающееся тем, что заслонка прерывателя потока снабжена выемками, количество К которых определяется из соотношения K = f/ω_a, где f - частота пульсаций давления жидкости, Гц; ω_a - частота абсолютного вращения ротора, с^-1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4