УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНЫ Российский патент 1998 года по МПК B01F3/04 B01F5/00 

Изобретение относится к смесительным устройствам, в частности к устройствам для получения пен, используемых при глушении, промывке и освоении нефтяных и газовых скважин.

Анализ существующего уровня техники показал следующее.

Известно устройство для получения пены, содержащее корпус, сопло, смесительную камеру, перфорационную трубу и блок выравнивающих решеток (см. з. РСТ (WO) N 83/02735 от 7.02.83 г. по кл. B 01 F 5/04, опубл. 18.08.83 г). Все элементы расположены соосно.

Недостатком устройства указанной конструкции является ее сложность и громоздкость, а также невозможность получения высококачественной пены. Это обусловлено использованием блока решеток, выравнивающих дисперсность и кратность пены, при этом выходящей из смесителя газожидкостный поток с большой скоростью ударяется в экран, размещенный перед трубой, и диспергированная жидкость неизбежно осаждается, а качественная пена получается лишь на узком участке.

В качестве прототипа взято устройство для получения пены, состоящее из корпуса, смесителя, ряда элементов, рассеивающих газожидкостный поток, и сетчатого диспергатора, состоящего из блока сеток (см. з. Великобритании N 1468249 от 12.08.74 г. по кл. B 01 F 3/04, опубл. 23.03.77 г.). Все элементы расположены соосно.

Недостатком устройства указанной конструкции является его сложность и громоздкость, а также невозможность получения высококачественной пены. В техническом решении используется эффект удара струи смеси пенообразующей жидкости с воздухом о сетку. В результате неравномерности скоростного потока в трубе газожидкостный поток поступает на сетку неравномерно, а выходящая из устройства пена получается низкого качества. В данном случае под качеством пены понимают ее устойчивость (время жизни), которая зависит от наличия в пене ячеистой структуры. Чем больше в пене одинаковых по размеру пузырьков (равномерная дисперсность) и чем они меньше по размеру, тем выше качество пены. Известное устройство используют в основном при тушении пожаров, где главным показателем является не качество, а количество получаемой пены. Кроме того, использование большого количества сетчатых элементов, расположенных друг за другом, повышает металлоемкость и существенно усложняет конструкцию изделия, а загрязнение или выход из строя первой сетки приведет к выходу из строя всего устройства.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему: упрощение конструкции и снижение металлоемкости, улучшение качества производимой пены.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, содержащего корпус, смеситель, рассеиватель газожидкостного потока и сетчатый диспергатор, расположенные соосно, в котором в качестве рассеивателя газожидкостного потока использован конический диффузор, соединенный со смесителем, а сетчатый диспергатор выполнен в виде съемного конуса с вершиной, направленной навстречу потоку, причем расстояние l между вершинами конусов диспергатора и диффузора l определяют по формуле

где
D_диф - максимальный диаметр конического диффузора, м;
α - угол при вершине конуса диспергатора.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: совокупность конструктивных элементов отличительной части формулы изобретения, дающая вышеуказанный технический результат, не выявлена по имеющимся источникам известности. В то же время известно устройство для получения пены, состоящее из корпуса, сопла и конической перфорированной решетки, вершина конуса которой направлена по ходу движения газожидкостного потока (см. з. Франции N 2575082 от 21.12.84 г. по кл. B 01 F 3/04, опубл. 27.06.84 г.). Для обеспечения необходимой производительности, а также для преодоления давления в скважине в данном случае необходимо применять мощный компрессор и гидронасос. Кроме того, из-за отсутствия каких-либо устройств, диспергирующих струю из сопла, выходящая жидкость в основной массе попадает в вершину конической перфорированной решетки и продавливается через нее без образования пены. Газ, поступающий по каналам, имеет тенденцию проходить через отверстия у основания конической решетки, также не участвуя в образовании пены. Получаемая пена имеет различную кратность и дисперсность и абсолютно непригодна для технологических процессов глушения, промывки и освоения нефтяных и газовых скважин, в связи с чем устройство не взято нами в качестве прототипа.

Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 показан общий вид устройства. Устройство состоит из корпуса 1, сопла для подачи жидкости 2, патрубка для подачи газа 3, смесителя 4, конического диффузора 5, сетчатого диспергатора 6, патрубка для отвода пены 7.

Устройство работает следующим образом:
пенообразующая жидкость под давлением, созданным насосным агрегатом, выходит из сопла 2 в виде струи и смешивается с газовой струей, поступающей из патрубка 3 в смеситель 4. Далее поток газожидкостной смеси направляется в конический диффузор 5, а затем в сетчатый диспергатор 6, а образующаяся пена отводится по патрубку 7.

Конструкция заявляемого устройства предусматривает получение высококачественной (высокоустойчивой) пены, необходимой для процессов бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин.

Известно, что в струйных аппаратах, по мере удаления от сопла массовый расход движущегося потока непрерывно увеличивается за счет присоединения массы инжектируемой среды, а поперечное сечение движущегося потока непрерывно растет (см. струйные аппараты. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. - М.: Энергия, 1970 ).

На фиг. 2 показана схема скоростного напора в струйном аппарате, где 8 - пограничный турбулентный слой, 9 - ядро, 10 - начальный участок, 11 - основной участок, 12 - переходное сечение, 13 - полюс. В выходном сечении сопла струя имеет равномерное поле скоростей. Частицы рабочей струи, вытекающей из сопла, вместе с частицами инжектируемой среды образуют пограничный турбулентный слой 8, толщина которого растет в направлении течения. По мере удаления от сопла сечение ядра 9 постоянной скорости уменьшается. На некотором расстоянии от сопла ядро постоянной скорости исчезает. Струю можно условно разделить на два участка: начальный 10 и основной 11. Участок струи между выходным сечением сопла и переходным сечением струи 12 - начальный. Последующий участок струи за переходным сечением 12 - основной. Как для основного участка струи, так и для пограничного слоя начального участка отношение скорости в любой точке струи W и осевой скорости струи W_o в этом же сечении является однозначной функцией отношения расстояния данной точки от оси струи к радиусу границы струи:

где
r - радиус ядра струи,
причем граничный радиус любого сечения струи
R = ax,
где
x - расстояние данного сечения от полюса струи;
a - опытная константа свободной струи.

Разрабатывая заявляемое устройство, мы пришли к выводу, если поместить вершину конического диффузора 5 (см. фиг. 1) в точку полюса 13 (см. фиг. 2), а вершину сетчатого диспергатора 6 - в основание конуса диффузора 5, то для выравнивания эпюры скоростей потока на диспергаторе 6 геометрические размеры последних (с учетом математических выражений 1 и 2) должны быть связаны следующим отношением:

В свою очередь равномерное прохождение газожидкостного потока через сетчатый диспергатор дает возможность получения более качественной пены.

Пример применения заявляемого устройства для глушения скважины.

1. Исходные данные.

Имеется газовая скважина с аномально низким пластовым давлением (АНПД) глубиной 2000 м;
Забойное давление - 12 МПа.

Коэффициент аномальности - 0,6.

Продуктивный пласт - песчаник с медианным размером капиллярных каналов - 0,4 мм.

Для глушения используется заявляемое устройство с производительностью сопла по жидкости 3 л/с; эжектируемый газ - воздух; степень аэрации a = 20.

2. Расчетные параметры.

2.1. Давление нагнетания на заявляемом устройстве исходя из условия глушения скважины:
P_уст = P_скв + P_из + ak,
где
P_скв - скважинное давление, развиваемое устройством глушения на устье, P_скв = 12 МПа;
P_из - нормативное избыточное давление, P_из = 2,0 МПа;
a - постоянное число, a = 5;
k - коэффициент аномальности, k = 0,6.

P = 120 + 20 + 5•0,6 = 143 (кгс/см²) = 14,3 (МПа)
2.2. Дисперсность пены, необходимая для глушения скважины исходя из свойств пласта-коллектора.

Для надежной блокировки пласта с минимальными поглощениями на практике принимается размер пузырьков пены на 10...20% больше медианного размера капилляров пласта:
D_п = 0,4 + 0,4 (0,1... 0,2) ≃ 0,45 (мм).

2.3. Диаметр пузырьков пены, генерируемых устройством.

В связи с тем, что давление нагнетания на заявляемом устройстве в соответствии с условием глушения выше, чем забойное, диаметр пузырьков на забое будет равен:

2.4. Размер отверстий на диспергирующем элементе определяем по формуле Н. М. Герсеванова (Герсеванов Н. М. Теория движения смеси воздуха и воды в применении к эрлифтам. Изд. АН СССР ОНТ 1942, N 10).

где
r - радиус отверстия;
R - радиус пузырька.

Отсюда D = 2r = 0,34 (мм).

2.5. Пропускная способность одного отверстия по воздуху исходя из условия недопущения коалесцирования пузырьков (Классен В.И.Вопросы теории аэрации и флотации.- М.: Госхимиздат, 1949).

q ≃ 104r² = 104•0,17² = 3 см³/мин = 0,005 см³/с.

2.6. Суммарное число отверстий n=Q/q, где Q - производительность по воздуху.

При производительности эжектора по жидкости 3 л/с количество эжектируемого воздуха Q ≈ 3•0,6 = 1,8 л/с.

2.7. Суммарная площадь отверстий

2.8. Расчетная площадь поверхности диспергирующего элемента, принятого (как вариант) из сетки: S_э = S_с/k, где k = 0,5... 0,7, живое сечение сетки.

2.9. Расчетный размер образующей конуса.

Известно, что площадь конуса равна S = ПRC, где R - радиус основания, R = 25 мм, исходя из диаметра труб; C - длина образующей конуса. Отсюда

2.10. Угол при вершине конуса определяют из выражения

где
R = 25 мм, радиус основания конуса;
C = 104 мм, длина образующей,
т.е. = 25/104 = 0,24; α = 28^o
2.11. Расстояние l между вершинами конусов определяют:


Заявляемое устройство имеет ряд технических и технологических преимуществ по сравнению с прототипом:
упрошена конструкция и снижена металлоемкость;
улучшено качество производимой устройством пены.

Устройство прошло всесторонние стендовые испытания в лабораторных условиях заявителя-патентообладателя.

Изобретение относится к устройствам для получения пены и может быть использовано при глушении, промывке и освоении нефтяных и газовых скважин. Устройство содержит корпус и расположенные в нем соосно рассеиватель газожидкостного потока в виде конического диффузора, соединенный со смесителем, и сетчатый диспергатор, выполненный в виде съемного конуса с вершиной, направленной навстречу потоку газожидкостной смеси из конического диффузора. Изобретение позволяет упростить конструкцию , снизить ее металлоемкость и улучшить качество производимой устройством пены. 2 ил.

Устройство для получения пены, состоящее из корпуса, смесителя, рассеивателя газожидкостного потока и сетчатого диспергатора, расположенных соосно, отличающееся тем, что в качестве рассеивателя газожидкостного потока содержит конический диффузор, соединенный со смесителем, а сетчатый диспергатор выполнен в виде съемного конуса с вершиной, направленной навстречу потоку, причем расстояние l между вершинами конусов диспергатора и диффузора определяют по формуле

где D_диф - максимальный диаметр конического диффузора, м;
α - угол при вершине конуса диспергатора, град.