Скважинный сейсмоисточник

Техническое решение относится к вибросейсмической технике, а именно к погружным вибраторам для виброволнового воздействия на нефтесодержащие пласты породы для повышения притока нефти к скважинам.

Известен скважинный электромагнитный сейсмический источник (далее - сейсмоисточник) по патенту США №4715470, G01V 1/40 от 29 декабря 1987 г., включающий размещенное в корпусе силовое устройство, создающее продольные или поперечные колебания, выполненное в виде линейного электромагнитного двигателя с магнитно активным сердечником на диамагнитной оси, концы которой размещены в шариковых втулках и оперты на пружины нелинейной жесткости, зажимное устройство для закрепления сейсмоисточника в заданном месте ствола скважины с электрогидравлическим приводом, электронный блок управления в акустическом изоляторе для индикации движения сейсмоисточника в скважине, вибрации ее стенок и передачи сигналов управления с поверхности на вибратор и привод зажимного устройства.

Общими признаками известного и предлагаемого устройства являются: наличие зажимного устройства, обеспечивающего возможность закрепления сейсмоисточника в скважине на любой заранее выбранной глубине, и силового устройства, размещенного в корпусе.

Известный сейсмоисточник имеет сложную многокомпонентную конструкцию, что обусловливает высокую стоимость его изготовления и обслуживания, а также низкую эксплуатационную надежность, особенно в режимах длительного включения. Применение такого сейсмоисточника на промысловых работах по повышению нефтеотдачи, требующих многократных длительных циклов обработки нефтесодержащих пластов, технически и экономически нецелесообразно.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и совокупности существенных признаков является скважинный сейсмоисточник (далее - ССИ) по патенту РФ №156847 на полезную модель, G01V 1/153, Е21В 43/25, опубл. 20.11.15 в Бюл. №32, содержащий дебалансное силовое устройство в виде корпусов с дебалансными вибровозбудителями, жестко соединенных торцами с механическими якорными устройствами, снабженными конусами, взаимодействующими с зажимными клиньями. Валы дебалансных вибровозбудителей выполнены со шлицевыми концами и соединены между собой смонтированными внутри механических якорных устройств промежуточными валами со шлицевыми втулками, а вал верхнего из дебалансных вибровозбудителей соединен со штангой внутри насосно-компрессорных труб (далее - НКТ), имеющей вращательный привод на поверхности. ССИ оборудован внешним корпусом, в радиальных отверстиях которого на направляющих смонтированы указанные выше подпружиненные зажимные клинья с возможностью выхода из них. Верхний торец внешнего корпуса снабжен скользящей втулкой, взаимодействующей с буртиком на корпусе верхнего механического якорного устройства, а конус нижнего механического якорного устройства оперт на возвратную пружину, установленную на днище внешнего корпуса, снабженном упором.

Известное и предлагаемое устройства обладают следующими общими признаками: наличие внешнего корпуса, связанного со ставом НКТ, с размещенным внутри дебалансным силовым устройством, связанным с электродвигателем и имеющим установленные на его корпусе конуса с возможностью взаимодействия с подпружиненными зажимными клиньями, смонтированными в радиальных отверстиях внешнего корпуса с возможностью выхода из них.

Недостатком известного ССИ является низкая эффективность составляющих его дебалансных вибровозбудителей. Это обусловлено тем, что в ограниченных диаметром скважины поперечных габаритах невозможно смонтировать массивные, т.е. достаточно длинные, дебалансы на двухопорных осевых дебалансных валах из-за низкой жесткости последних. Таким образом, чтобы реализовать достаточную для эффективного вибровоздействия возмущающую силу на наиболее эффективных низких частотах (10-20 Гц) приходится собирать ССИ из нескольких (от трех до пяти) коротких дебалансных вибровозбудителей. При этом существенно усложняется конструкция ССИ. Также растет количество якорных устройств, силовых и кинематических соединений и, как следствие, значительно снижается эксплуатационная надежность ССИ.

Другим недостатком, снижающим эксплуатационные качества ССИ, является невозможность его заякоривания в скважине без упора внешнего корпуса в забой скважины. Это существенно снижает эффективность обработки нефтесодержащих пластов породы, уровень залегания которых не совпадает с уровнем фиксации ССИ в скважине.

Проблемой является создание ССИ с большей эксплуатационной надежностью и эффективностью вибровоздействия за счет упрощения конструкции и обеспечения надежного заякоривания в скважине на глубине залегания нефтесодержащего пласта.

Поставленная проблема решается тем, что в ССИ, содержащем внешний корпус с размещенным внутри дебалансным силовым устройством, на буртиках корпуса которого установлены конуса с возможностью взаимодействия с подпружиненными зажимными клиньями, смонтированными в радиальных отверстиях внешнего корпуса с возможностью выхода из них, при этом приводной вал дебалансного силового устройства соединен с валом электродвигателя, а внешний корпус связан со ставом НКТ, согласно техническому решению дебалансное силовое устройство представлено дебалансным вибровозбудителем, включающим прилегающий к его корпусу дебаланс в виде цилиндрического тела качения с осями на торцах, установленными в вилках кривошипов верхнего и нижнего валов с возможностью радиального перемещения. Верхний вал соединен с валом указанного электродвигателя, смонтированного во внешнем корпусе и связанного нижним торцом с корпусом дебалансного вибровозбудителя, а верхним - с тяговым органом, расположенным внутри става НКТ, с которым внешний корпус соединен жестко. Тяговый орган связан с силоизмерительным датчиком, подвешенным за пределами скважины к винту натяжного устройства, включающего смонтированную в его корпусе гайку, образующую с винтом пару винт-гайка и связанную механической передачей с электродвигателем. Выход силоизмерительного датчика связан с входом блока установки порогов срабатывания, выход которого соединен с входом блока управления, соединенного выходом с электродвигателем натяжного устройства.

Совокупность указанных признаков позволяет выполнять ССИ с одним дебалансным вибровозбудителем большой длины с мощностью виброизлучения, адекватной мощности группы дебалансных вибровозбудителей с двухопорными дебалансными валами, как в прототипе, что существенно упрощает конструкцию дебалансного силового устройства. Таким образом, достигается повышение эксплуатационной надежности ССИ. За счет наличия тягового органа, связанного через электродвигатель с корпусом дебалансного вибровозбудителя и через силоизмерительный датчик с винтом натяжного устройства, реализуется заякоривание ССИ в скважине на произвольной глубине, в том числе на уровне залегания нефтесодержащих пластов. При этом стабильно жесткий контакт зажимных клиньев с обсадной трубой поддерживается автоматически регулированием усилия в тяговом органе посредством силоизмерительного датчика, блока установки порогов срабатывания и блока управления, связанного с электродвигателем натяжного устройства. Таким образом, достигается повышение эффективности ССИ.

Сущность предлагаемого технического решения пояснена примером конкретного исполнения ССИ и чертежами фиг. 1-3. На фиг. 1 показан общий вид ССИ в продольном разрезе в скважине, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - схема действия сил в паре конус-зажимной клин.

ССИ включает опускаемый в обсадную трубу 1 (фиг. 1) скважины на ставе НКТ 2 внешний корпус 3, внутри которого установлен электродвигатель 4, смонтированный на верхнем торце 5 корпуса 6 дебалансного вибровозбудителя. Нижний торец 7 корпуса 6 выполнен глухим и оперт на амортизатор 8 на нижнем торце 9 внешнего корпуса 3. Верхний торец 10 внешнего корпуса 3 жестко соединен со ставом НКТ 2. Электродвигатель 4 посредством тягового органа 11 (каната, штанг и т.п.) подвешен к силоизмерительному датчику 12 (далее - датчик 12), например к тензодатчику, который закреплен на винте 13 натяжного устройства 14. Винт 13 снабжен звеном 15, образующим поступательную пару с направляющей 16 корпуса 17 натяжного устройства 14. В корпусе 17 на опоре 18 качения смонтирована гайка 19, образующая с винтом 13 пару винт-гайка. Гайка 19 соединена механической передачей 20 с электродвигателем 21 натяжного устройства 14. Выход датчика 12 подключен к блоку 22 установки порогов срабатывания (далее - блок 22), который связан с входом блока 23 управления (далее - блок 23), выход которого соединен с электродвигателем 21.

В корпусе 6 смонтированы подшипники 24, в которых установлены верхний 25 и нижний 26 валы с кривошипами 27, выполненными, каждый, в виде вилки 28 (фиг. 2). В вилках 28 смонтированы с возможностью радиального перемещения в них оси 29, которые установлены в подшипниках 30 в торцах дебаланса 31, выполненного в виде цилиндрического тела качения. Хвостовик верхнего вала 25, установленного в подшипниках 24, снабжен шлицевой втулкой 32, посредством которой соединен со шлицевым валом 33 электродвигателя 4. Хвостовик нижнего вала 26 выполнен свободным.

Между верхним торцом 10 внешнего корпуса 3 и электродвигателем 4 смонтирован пружинный амортизатор 34. На буртиках 35 и 36 корпуса 6 установлены конусы 37 с возможностью взаимодействия с зажимными клиньями 38.

Зажимные клинья 38 установлены в направляющих 39 в радиальных отверстиях (позицией не обозначены) внешнего корпуса 3 с возможностью выхода из них и снабжены возвратными пружинами 40.

ССИ работает следующим образом. Внешний корпус 3 с размещенными внутри корпусом 6 и электродвигателем 4 на ставе НКТ 2 с тяговым органом 11 опускают в обсадную трубу 1 скважины на уровень залегания нефтесодержащего пласта. При этом корпус 6 оперт нижним торцом 7 на амортизатор 8 на нижнем торце 9 внешнего корпуса 3. Конусы 37 не контактируют с зажимными клиньями 38, которые удерживаются возвратными пружинами 40 в направляющих 39 внутри внешнего корпуса 3. В результате между зажимными клиньями 38 и поверхностью обсадной трубы 1 имеется зазор.

По завершении опускания внешнего корпуса 3 на необходимую глубину став НКТ 2 жестко фиксируют на головной части обсадной трубы 1, над которой монтируют датчик 12 и натяжное устройство 14. К датчику 12, связанному с винтом 13, подвешивают тяговый орган 11. На блоке 22 выставляют величины верхнего и нижнего пороговых сигналов срабатывания блока 23, после чего блок 23 подключают к сети 380 В и запускают электродвигатель 21 натяжного устройства 14. Последний посредством механической передачи 20 сообщает вращение гайке 19. Вращение гайки 19 благодаря наличию поступательной пары звено 15 - направляющая 16 реализует поступательное движение вверх винта 13, датчика 12, тягового органа 11, электродвигателя 4 и корпуса 6. Конусы 37 входят в контакты с зажимными клиньями 38, которые выдвигаются из радиальных отверстий внешнего корпуса 3 по направляющим 39, сжимая возвратные пружины 40. По мере выдвижения зажимные клинья 38 контактируют с внутренней поверхностью обсадной трубы 1. Осуществляется силовое замыкание корпуса 6 с обсадной трубой 1. При этом величина действующих на обсадную трубу 1 радиальных усилий Rз замыкания в зоне расположения зажимных клиньев 38 напрямую зависит от значения вертикальной силы R₀ в тяговом органе 11. Указанная зависимость пояснена схемой действия сил в паре конус 37 - зажимной клин 38 (фиг. 3) и формулой:

где n - количество зажимных клиньев 38;

α - угол между образующей и основанием конуса 37.

Значение вертикальной силы R₀ непрерывно контролируют датчиком 12, сигналы которого поступают на блок 22.

Через некоторый промежуток времени R₀ достигнет величины R'₀:

где R_0min - минимально необходимое значение R₀, при котором радиальные усилия Rз замыкания достаточны для реализации жесткого контакта корпуса 6 с обсадной трубой 1 в условиях вибровоздействия;

ΔR₀ - запас вертикальной силы R₀, гарантирующий устойчивую продолжительность упомянутого выше контакта корпуса 6 с обсадной трубой 1.

Значение R'₀ соответствует достижению уровня верхнего порогового сигнала на датчике 12, по которому блок 22 подаст управляющий сигнал на блок 23. Блок 23 обесточит электродвигатель 21 натяжного устройства 14, чем завершит процесс силового замыкания корпуса 6 с обсадной трубой 1.

Одновременно с остановкой электродвигателя 21 натяжного устройства 14 запускается электродвигатель 4. Шлицевой вал 33 электродвигателя 4, взаимодействующий посредством шлицевой втулки 32 с верхним валом 25, вращает последний. Вращение синхронно сообщается на нижний вал 26 через оси 29 и дебаланс 31. Под действием центробежной силы дебаланс 31 отжимается от оси вращения верхнего 25 и нижнего 26 валов. Оси 29 дебаланса 31 радиально перемещаются в вилках 28 до момента касания дебалансом 31 внутренней поверхности корпуса 6.

С этого момента осуществляется обкатка дебалансом 31 внутренней поверхности корпуса 6 при эксцентриситете e_max (см. фиг. 1, 2). Действующая на корпус 6 вибрация через конусы 37, зажимные клинья 38 передается на обсадную трубу 1, излучающую в свою очередь виброимпульсы в нефтесодержащий пласт.

В процессе эксплуатации ССИ неизбежно удлинение тягового органа 11 как под действием вибрации, так и под действием собственного веса - особенно в скважинах большой глубины. По мере удлинения тягового органа 11 падает контактное давление между конусами 37 и зажимными клиньями 38, снижается величина радиальных усилий Rз замыкания корпуса 6 в обсадной трубе 1 в зоне расположения зажимных клиньев 38 и величина вертикальной силы R₀ в тяговом органе 11.

Значению R₀ = R_0min в тяговом органе 11 соответствует уровень нижнего порогового сигнала, выставленный на блоке 22. При падении вертикальной силы R₀ в тяговом органе 11 до величины R_0min датчик 12 передает сигнал на блок 22, по которому последний вырабатывает управляющий сигнал на блок 23. Блок 23 запускает электродвигатель 21 натяжного устройства 14, который через механическую передачу 20 начинает вращать гайку 19. Реализуется поступательное движение вверх винта 13, датчика 12, тягового органа 11, электродвигателя 4 и корпуса 6. Как только R₀ достигнет величины R'₀, с датчика 12 на блок 22 поступит сигнал, соответствующий уровню верхнего порогового сигнала в блоке 22. Блок 22 выработает управляющий сигнал, по которому блок 23 обесточит электродвигатель 21 натяжного устройства 14. Далее вышеописанный автоматический процесс обеспечения силового замыкания корпуса 6 с обсадной трубой 1 скважины повторяется. Таким образом, реализуется надежное заякоривание ССИ в скважине на глубине залегания нефтесодержащего пласта, что приводит к повышению эффективности вибровоздействия.

Использование дебаланса 31 в виде цилиндрического тела качения, свободно обкатывающегося по внутренней поверхности корпуса 6, позволяет за счет значительно большей, чем у двухопорного дебалансного вала, как в прототипе, несущей способности корпуса 6 значительно (в 2-3 раза) удлинить корпус 6 и дебаланс 31. Тем самым реализуется возможность применения в ССИ вместо нескольких соединяемых в силовую цепь коротких дебалансных вибровозбудителей с двухопорными дебалансными валами одного, равного им по мощности виброизлучения, дебалансного вибровозбудителя в одном корпусе 6, что существенно упрощает конструкцию и, как следствие, повышает эксплуатационную надежность.