Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для декольматации скважин

Устройство относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для восстановления проницаемости и пропускной способности перфорационных каналов в теле обсадной колонны после проведения гидравлического разрыва пласта.

Известно устройство для кольматации и очистки стенки скважины (а.с. СССР № 1594264, кл Е21В 37/00, опубл. 23.09.90, Бюл. № 35). Устройство состоит из корпуса, с сердечником в осевом канале, в котором размещена турбинка с завихрителем и винтовыми каналами. Нижним концом сердечник жестко связан со стаканом, с образованием между ними полости. В дне стакана выполнен ряд отверстий.

В нижней части корпуса выполнена вихревая камера, с размещенным в ней патрубком.

В стакане выполнена полость с входными каналами, для пропуска рабочей жидкости.

Оси винтовых каналов направлены в сторону вращения стакана.

Работа устройства.

Аэрированный раствор поступает в осевой канал корпуса с обеспечением вращения турбинки, что приводит к сепарации раствора в полости между сердечником и стаканом.

Тяжелая фракция, через отверстия в днище стакана попадает в полость между стаканом и сердечником, а смесь с меньшей полостью проходит в полость сердечника и далее в вихревую камеру, через тангенциальные отверстия.

При вращении сердечника происходит периодическое перекрытие отверстий в его днище, что создает прерывистый поток в полости между сердечником и стаканом, с генерацией локальных гидроударов на стенке скважины. Это приводит к воздействию радиальных потоков на фильтрационную корку, за счет колебания давления в упругой низкоплотной среде, вызванных пульсирующими струями рабочей жидкости.

За счет такого взаимодействия струями происходит разрыхление и разрушение слоя отложений.

К недостаткам устройства следует отнести:

- сложность конструкции, что не позволяет вести работы в скважинах с малым диаметром труб обсадной колонны;

- при вращении турбинки существует реактивный крутящий момент, воздействующий на колонну насосно-компрессорных труб;

- вращение устройства вокруг своей оси, возможно при передаче такого воздействия с поверхности.

Известно промывочное устройство (пат. РФ № 2529460, кл. МПК Е21В 37/00, опубл. 27.09.2014, Бюл. № 27).

Устройство состоит из корпуса с каналом для подвода жидкости, цилиндра с кольцевой камерой и тангенциально направленными каналами.

Корпус снабжен присоединительным ниппелем с донышком в осевом канале. Донышко снабжено сквозным отверстием с пазами на внутренней поверхности.

Перпендикулярно оси ниппеля в корпусе выполнена цилиндрическая расточка, в которой размещен стакан с насадкой и крышкой. Расточка перекрыта днищем, снабженной дренажной трубкой с выступом и радиальными отверстиями, для связи пазов на крышке, с осевым каналом дренажной трубки. В кольцевой камере между стаканом и дренажной трубкой установлена пружина, с опорой на выступ. Цилиндр жестко связан с присоединительным ниппелем, снабженным переходником, с продольными пазами и перепускными отверстиями для связи кольцевой камеры цилиндра, с его осевым каналом, в котором установлен поршень и фиксатор.

Работа устройства.

При подаче рабочей жидкости, в виде струи истекающего из тангенциальных каналов цилиндра, последний вместе с корпусом вращается относительно переходника. При расчетном перепаде давления поршень перемещается в осевом канале переходника, с образованием гидравлической связи через продольные пазы с цилиндрической расточкой корпуса, каналы в крышке стакана и радиальные отверстия в теле дренажной трубки, с ее осевым каналом. Через канал насадки струя выбрасывается в направлении к стенке обсадной колонны.

Под действием перепада давления, воспринимаемого крышкой стакана, происходит его перемещение в осевом канале корпуса, с приближением насадки к обрабатываемой поверхности. Корпус с насадкой при их вращении могут одновременно перемещаться вдоль оси скважины.

По окончанию процесса очистки прекращают подачу рабочей жидкости, что приводит к возврату стакана в исходное положение, с прекращением вращения корпуса с насадкой. Натяжением гибкой колонны труб, устройство извлекается из скважины.

К недостаткам устройства можно отнести:

- достаточно высокую сложность конструкции;

- нерациональное использование рабочей жидкости, используемой для вращения корпуса с насадкой, на что тратится определенный расход;

- спуск промывочного устройства в скважину происходит на гибкой колонне труб, имеющей малый диаметр, с соответствующим ограничением пропускной способности из-за высоких гидравлических сопротивлений;

- при вращении корпуса с насадкой имеет место реактивный момент, воспринимаемый гибкой колонны труб, что нежелательно;

- подача струи рабочей жидкости из насадки происходит перпендикулярно к обрабатываемой поверхности, что снижает эффективность удаления слоя отложений из-за отражения струи, с взаимодействием с истекающей из насадки рабочей жидкостью.

Известна гидромониторная насадка (см. пат. РФ № 2374448 МПК Е21C 45/02, опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33).

Головка состоит из корпуса, с сопловой головкой, размещенной на переднем конце, с выходным отверстием, ось которого наклонена к оси вращения корпуса и смещена относительно оси вращения. В корпусе установлено устройство прерывания потока, состоящее из диска в виде стакана, дно и боковые поверхности которого имеют прорези в форме секторов. Турбина установлена в осевом канале корпуса насадки и представляет собой крыльчатку, включающую ступицу и лопастной венец, лопасти которого расположены под углом к оси насадки. Диск и турбинка закреплены на оси, установленной на подшипниках скольжения, один из которых закреплен в корпусе насадки со стороны переднего торца, а другой – в центральной части опоры, которая имеет форму кольца с ребрами жесткости.

Работа рассматриваемого устройства.

Устройство подсоединяется к гибкой трубке и вводится до места ведения процесса, например в скважину.

От насоса в трубку подается под давлением рабочая жидкость и далее поступает в корпус насадки, где взаимодействует с лопастями турбинки, с обеспечением ее вращения. При этом диск, имеющий форму стакана с прорезями в дне и боковой стенке, периодически перекрывает отверстия на переднем торце сопловой насадки и насадок на боковой поверхности, с созданием пульсирующего потока рабочей жидкости в сопловых насадках. Пульсирующая струя, истекающая из сопловой насадки в торце, воздействует на преграду, перпендикулярно к ее поверхности, при ее осевом перемещении с расчетной скоростью, при вращении корпуса насадки трубкой. Пульсирующая струя, истекающая из боковых сопловых насадок, воздействует на боковую поверхность каверны, с ее расширением в диаметральном направлении.

Воздействие на поверхность преграды пульсирующей струей, позволяет повысить эффект разрушения вследствие развития микротрещин, при гидромеханическом воздействии импульсного скоростного потока, с генерацией гидравлических ударов.

К недостаткам конструкции следует отнести:

- вращение корпуса насадки можно осуществить за счет передачи крутящего момента на трубу, но в условиях применения этого устройства в скважине для обработки внутренней поверхности, при использовании колтюбинговой установки, такое вращение осуществить невозможно;

- при вращении турбинки существует реактивный момент, влияющий на гибкую трубу с ее закручиванием, что не совсем желательный процесс;

- при использовании гибкой трубы колтюбинговой установки, в качестве гидравлического канала для подачи рабочей жидкости, имеет место ограничение по ее расходу и давлению, за счет наличия высокого гидравлического сопротивления потоку рабочей жидкости. Это ограничивает количество и диаметральные размеры сопловых насадок, что в свою очередь снижает эффективность процесса разрушения преграды.

Известно устройство для промывки забоя скважины (а.с. СССР № 1439201, кл Е21В 21/00, опубл. 1987 г.). Устройство содержит цилиндрический корпус с полостью, гидравлически связанной с затрубным пространством посредством радиальных и торцевых гидромониторных каналов. Обратный клапан, расположен внутри этого корпуса.

Радиальные и часть торцовых каналов расположены под углом к оси корпуса, что повышает эффективность разрушения слоя отложений за счет подачи под высоким давлением струй рабочей жидкости.

Известен прерыватель струи, выполненный в виде вращающейся решетки лопастей (см. Ляхтер В.И., Дзугаев В.В., Зайцев Е.Н. «Повышение эффективности действия гидроструй». Гидротехническое строительство 1982г. № 7 –С. 40-43). Прерывистая струя формируется в результате пересечения истекающей из сопла стационарной струи металлическими лопатками, которые укреплены на роторе, приводимые во вращение электромотором.

Известно техническое решение. В нем реализован принцип создания крутящего момента за счет насадки дросселирующего канала, через которую осуществляется подача струи рабочей жидкости (см. «Опыт разрушения песчано-глинистых пробок, с использованием гидроударных устройств в составе КГТ». Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета». Серия «Нефть и газ», № 1(4), 2004 г. – с. 86-90).

Известно также техническое решение – Насадка (а. с. СССР № 732505, кл. Е21В 43/114, опубл. 07.04.80 г., Бюл. № 17).

Насадка содержит корпус с каналами для подвода жидкости, цилиндр с сопловым каналом, тангенциально наклоненным относительно оси насадки. На внутренней поверхности цилиндра выполнена кольцевая полость, гидравлически связанная с каналом для подвода жидкости и сопловым каналом. В устройстве обеспечивается вращение корпуса вокруг своей оси, за счет подачи рабочей жидкости по тангенциально направленному сопловому каналу.

Известна гидромониторная насадка (пат. РФ № 2165020, МПК Е21В 45/00, опубл. 10.04.2001 г.), выбранная в качестве прототип.

Устройство состоит из корпуса с сопловой головкой, размещенной на ее переднем торце, и второй сопловой головки на боковой поверхности корпуса. Ось выходного дросселирующего канала первой сопловой головки в полости переднего торца смещена относительно оси вращения корпуса на некоторое расстояние и наклонена к оси вращения корпуса под углом. Ось дросселирующего канала второй сопловой головки наклонена к оси вращения корпуса в сторону переднего торца под большим углом, чем у первой сопловой головки. Боковая поверхность корпуса имеет не менее двух сопел.

Недостаток, который имеет место при работе устройства, – низкая эффективность воздействия сплошных струй рабочей жидкости при воздействии на преграду, поскольку на нее ведется только статическое воздействие, при отсутствии гидромониторного импульсного воздействия.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации предполагаемого изобретения, является расширение функциональности и повышение качества очистки скважины, что заключается в следующем:

- устройство может быть использовано в скважине в сочетании с гибкой колонной труб малого диаметра колтюбинговой установки;

- возможность обеспечения вращения гидромониторных насадок (сопловых головок), с направлением струй рабочей жидкости на стенку скважины под острым углом к поверхности, что существенно повысит качество промывки скважины;

- возможность нейтрализации реактивного момента от вращения на гибкую колонну труб, путем применения гидромониторных насадок (сопловых головок), вращающихся в разные стороны;

- подача струи рабочей жидкости на преграду, при импульсном и знакопеременном воздействии на слой отложений.

Технический результат достигается тем, что устройство для декольматации скважин, состоящее из корпуса, с сопловыми головками на наружной поверхности, дроссельные отверстия которых наклонены к оси вращения корпуса и смещены относительно своей оси, вторая сопловая головка снабжена дроссельным отверстием, с наклоном к оси вращения корпуса в сторону его торца, дополнительно снабжено отражателем в виде сектора на наружной поверхности второй сопловой головки, корпус снабжен кольцевым выступом на наружной поверхности между первой и второй сопловыми головками, стопорной гайкой на нижнем конце, снабженной прерывателем в виде сектора на наружной поверхности, причем сопловые головки выполнены в виде пустотелых цилиндров, полости которых постоянно гидравлически связаны радиальными отверстиями с осевым каналом корпуса, а дроссельные отверстия сопловых головок сориентированы в противоположные стороны.

Сопловые головки выполнены в виде пустотелых цилиндров, полости которых постоянно гидравлически связаны радиальными отверстиями с осевым каналом корпуса.

Дроссельные отверстия сопловых головок сориентированы в противоположные стороны, для обеспечения вращения сопловых головок в противоположном направлении.

Конструкция устройства для очистки стенок скважины поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 – общий вид устройства в разрезе;

- на фиг. 2 –сопловая головка в разрезе;

- на фиг. 3 – вторая сопловая головка в разрезе;

- на фиг. 3а – вид второй сопловой головки сверху;

- на фиг. 4 – стопорная гайка в разрезе, с прерывателем;

- на фиг. 4а – вид устройства сверху.

Устройство состоит из корпуса 1, с кольцевым выступом 2 на внешней стороне, на который опирается первая сопловая головка 3, в виде пустотелого цилиндра. Под кольцевым выступом 2 установлена вторая сопловая головка 4, снабженная отражателем 5 на внешней стороне, в виде сектора. На нижнем конце корпуса 1 установлена стопорная гайка 6, на внешней стороне которой выполнен прерыватель 7, в виде сектора. Количество прерывателей 7 в виде секторов на наружной поверхности стопорной гайки 6 может быть несколько. На рисунке показан только один из них.

Внутренняя полость первой и второй сопловых головок 3 и 4 постоянно гидравлически связаны радиальными отверстиями 8 и 9 с осевым каналом 10 корпуса 1.

Сопловые головки 3 и 4 снабжены дроссельными отверстиями 11 и 12 в торцовой части, с наклоном к оси вращения, соединяющими внутреннюю полость каждой из сопловых головок 3 и 4 с полостью скважины.

Дроссельное отверстие 11 первой сопловой головки 3 имеет тангенциальный наклон к оси корпуса, со смещением относительно оси вращения. При этом первая сопловая головка 3 может вращаться по часовой стрелке, а вторая сопловая головка 4 с дроссельным отверстием 12 в торцовой части может вращаться против часовой стрелки.

На верхнем конце корпуса 1 установлена накладная гайка 13, с внутренней резьбой в которой закреплен переводник 14, для связи с гибкой колонной труб.

Технологический зазор между стопорной гайкой 6 и наружной поверхностью корпуса 1 перекрыт уплотнением 15, а технологический зазор между накладной гайкой 13 и наружной поверхностью корпуса 1 перекрыт уплотнением 16.

Работа устройства.

Угол наклона дроссельных отверстий 11 и 12 в сопловых головках 3 и 4 подобран из условия обеспечения попадания струи рабочей жидкости из дроссельного отверстия 11 первой сопловой головки 3 на отражатель 5, а струя рабочей жидкости из дроссельного отверстия 12 второй сопловой головки 4 на поверхность прерывателя 7, связанного с телом стопорной гайки 6. Устройство на гибкой колонне труб спускается в скважину, с размещением в интервале перфорации. Подают под давлением рабочую жидкость в осевой канал 10 корпуса 1, откуда через радиальные отверстия 8 и 9 она поступает во внутренние полости сопловых головок 3 и 4.

Далее рабочая жидкость через дроссельные отверстия 11 и 12 в виде струи выносится в скважину под острым углом к стенке обсадной колонны. При этом происходит правое вращение сопловой головки 3, вокруг корпуса 1. Сопловая головка 4, также за счет реактивной струи рабочей жидкости, вращается вокруг корпуса 1 против часовой стрелки.

Струя рабочей жидкости при левом вращении сопловой головки 4 периодически входит в контакт с поверхностью прерывателя 7, с возникновением импульса расхода и давления на преграду.

Сопловая головка 3, при правом вращении периодически вводит струю рабочей жидкости в контакт с поверхностью отражателя 5 на сопловой головке 4, с генерацией импульса расхода давления. При этом частота вращения обеих сопловых головок 3 и 4, как показывают стендовые испытания, может находиться в пределах n=100÷200об/мин, и более. Изменение положения отражателя 5 сопловой головки 4 относительно дроссельного отверстия 11 сопловой головки 3 обеспечивает импульсное воздействие струей рабочей жидкости на слой отложений. Поскольку струя рабочей жидкости при истечении из дроссельных отверстий 11 и 12 взаимодействует с поверхностью слоя отложений под острым углом, это стимулирует процесс разрушения слоя кольматанта, за счет существования эффекта гидравлического клина.

Вращение сопловых головок 3 и 4 в противоположные стороны, с подачей под острым углом струй рабочей жидкости к обрабатываемой поверхности, ускоряет процесс разрушения слоя отложений при осевом перемещении устройства.