УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА Российский патент 2000 года по МПК E21B43/25 E21B28/00 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а также к технике возбуждения колебаний скорости, расхода и давления жидкости и может быть использовано в качестве нефтепромыслового оборудования при освоении и повышении продуктивности продуктивных горизонтов, в процессах добычи нефти. Может быть использовано для обработок водозаборных скважин, а также в различных отраслях техники, например в химической, металлургической, пищевой промышленности.

Известен способ генерирования колебаний, включающий подачу жидкости под избыточным давлением и закручивание ее с образованием жидкостного вихря и гидродинамический генератор колебаний для его осуществления, содержащий проточную вихревую камеру с продольным каналом подвода управляющего потока [Патент США N 3768520, кл. 137-809, 1973]. Генерирование колебаний осуществляется за счет взаимодействия осевого потока нагнетаемой жидкости с управляющим вихревым потоком, который формируют и усиливают с помощью другого источника жидкости. Необходимость в двух источниках расхода жидкости и сложность средств формирования управляющего потока ограничивают область применения генератора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является гидродинамический генератор колебаний расхода, содержащий корпус, размещенную в нем проточную камеру с каналами закрутки и основным соплом, центральное тело, установленное в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, и дополнительную магистраль, подсоединенную к напорной магистрали через ограничитель расхода и сообщенную с основным соплом через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры [Патент РФ N 2087756, 1994 г. МКИ F 15 B 21/12.].

Недостатком известного устройства является недостаточно высокая эффективность работы, снижение надежности из-за недостаточной износостойкости. Это связано с большими потерями на трение жидкости в его каналах закрутки и в проточной камере, что ограничивает расход и мощность генерируемых импульсов, требует задания высокого давления подачи жидкости в напорной магистрали. В условия работы в скважине, когда циркулирующая в каналах устройства рабочая жидкость достаточно загрязнена, происходит сильный абразивный износ вихреобразующих элементов с ухудшением или полным прекращением процесса генерации. Кроме того, в известном изобретении в условиях работы в скважине затруднено согласование временного процесса вихреобразования в каналах закрутки с процессами изменения давления в дополнительной магистрали, вследствие чего не во всем частотном диапазоне генерации обеспечивается работа устройства в оптимальном - резонансном режиме возбуждения колебаний, поэтому амплитудные параметры генерируемых колебаний недостаточно высоки.

Задача изобретения - повышение эффективности работы устройства при увеличении надежности, снижение энергетических затрат, расширение частотного диапазона эффективной генерации.

Поставленная задача достигается тем, что в известном гидродинамическом генераторе колебаний, содержащем корпус, размещенную в нем проточную камеру с соплом, каналы закрутки, центральное тело, установленное в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, и дополнительную магистраль, подсоединенную к напорной магистрали через ограничитель расхода и сообщенную с соплом через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры, в нем согласно изобретению каналы закрутки выполнены в центральном теле, там же выполнены дополнительная щелевидная кольцеобразная камера и канал, связывающий каналы закрутки с напорной магистралью, каналы закрутки сообщены с соплом через дополнительную щелевидную кольцеобразную камеру и через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры, ограничитель расхода выполнен в виде зауженного канала, сообщающего напорную магистраль с дополнительной магистралью.

Выполнение каналов закрутки в центральном теле позволяет осуществлять питание создаваемого при работе устройства жидкостного рабочего вихря не с периферии, как в известном изобретении, где сообщенные с напорной магистралью каналы закрутки выполнены в корпусе проточной камеры, то есть снаружи проточной части, а изнутри. Как известно [Рехтен А.В. Струйная техника: основы, элементы, схемы. Пер. с нем./Пер. Левин А.А. -М: Машиностроение, 1980. -321 с.], для циркулирующей в полом цилиндре жидкости тангенциальная скорость растет пропорционально радиусу к периферии вихря, соответственно растет центробежное давление. На периферии, непосредственно вблизи стенки вихревой камеры скорости вследствие трения резко уменьшаются, что вызывает соответствующее резкое добавочное возрастание давления. Поэтому энергетически более выгодна подача жидкости изнутри вихря в область более низкого давления.

Подача жидкости в рабочий вихрь из центрального тела позволяет существенно уменьшить энергетические потери в каналах закрутки, повысить при сохранении габаритов генератора и неизменном давлении подачи жидкости параметр расхода, что увеличивает мощность рабочего вихря и эффективность генерации. Кроме того, уменьшение потерь на трение в выполненных в центральном теле каналах закрутки существенно уменьшает и возможный при работе в скважинах абразивный износ вихреобразующих элементов, что повышает надежность работы устройства.

Выполнение дополнительной щелевидной кольцеобразной камеры в центральном теле, куда выходит из каналов закрутки циркулирующая жидкость, позволяет регулировать время вихреобразования и согласовывать его со временем изменения давления в дополнительной камере. В известном изобретении при генерации колебаний периодически происходит разрушение и восстановление вихревого движения жидкости в проточной камере - в зазоре между внутренней стенкой проточной камеры и центральным телом. Вихрь в совокупности с геометрией проточной камеры является рабочим элементом, блокирующим расход жидкости через сопло, то есть создающим большое гидравлическое сопротивление для рабочей жидкости. При достаточном возрастании давления в дополнительной магистрали происходит разрушение вихря и выплеск жидкости через сопло - периодический импульс расхода. Для последующего восстановления запирающего вихревого жидкостного элемента требуется определенное характерное время, которое определяется как скоростью протекания рабочей жидкости через каналы закрутки, так и геометрическими размерами проточной камеры и расположением каналов закрутки. Если это характерное время больше времени изменения давления в дополнительной магистрали, то полного накопления вихревого потенциала не происходит и генерируемые импульсы расхода получаются существенно ослабленными.

В известном изобретении при разрушении основной запирающей - периферийной области жидкостного вихря - одновременно разрушается и все вихревое течение. Время его восстановления из-за большого сопротивления втеканию жидкости в размещенные на периферии вихря каналы закрутки достаточно велико. В известном изобретении с целью замедления изменения давления в дополнительной магистрали изменяется упругость среды в ней посредством размещения заполненных газом и сообщенных с дополнительной магистралью упругих полостей. Однако в условиях работы в скважинах, когда большое внешнее давление существенно уменьшает упругость этих полостей, времена изменения давления при запирании дополнительного потока становятся меньше, чем характерное время вихреобразования, что приводит к недостаточно высокой эффективности генерации колебаний на частотах 80-200 Гц.

В предлагаемом изобретении при выполнении в центральном теле добавочной щелевидной кольцеобразной камеры периодически разрушается только часть вихревого течения - область вихря в зазоре между стенкой проточной камеры и центральным телом. Время ее последующего восстановления из-за уменьшения сопротивления втеканию жидкости в каналы закрутки и в особенности из-за непрерывности вихревого течения в щелевидной кольцеобразной камере существенно меньше. Это расширяет диапазон частот эффективной генерации колебаний устройством и обеспечивает высокую эффективность работы для различных глубин и категорий скважин.

Выполнение ограничителя расхода в виде зауженного канала обеспечивает функционирование дополнительной магистрали как резонатора с сосредоточенными параметрами, что расширяет эксплуатационные возможности регулирования частотного диапазона эффективной генерации.

Целесообразно исполнение ограничителя расхода - зауженного канала с возможностью регулирования его длины и диаметра.

Для расширения диапазона мощности работы устройства целесообразно дублирование элементов изобретения - проточной камеры с выходным соплом, центрального тела с каналами закрутки, дополнительной щелевидной кольцеобразной камерой, каналом питания, и выполнение, по крайней мере, двух каскадов их соединений, причем зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры должен быть сообщен с дополнительной магистралью, а последующей - с выходным соплом проточной камеры предыдущей. При этом направление закрутки жидкости каждых последующих каналов должно быть противоположным направлению закрутки жидкости предыдущих каналов.

Анализ отобранных в процессе поиска информации технических решений показал, что в науке и технике нет объекта, аналогичного по заявляемой совокупности существенных признаков и по наличию нового технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен продольный разрез устройства; на фиг. 2 - разрез по А-А по каналам закрутки; на фиг. 3 представлен вариант выполнения устройства с дублированием его рабочих элементов и их каскадным соединением.

Устройство для волновой обработки призабойной зоны пласта содержит корпус 1, размещенную в нем проточную камеру 2 с соплом 3 и напорную магистраль 4. Устройство снабжено центральным телом 5, установленным в проточной камере 2 с зазором 9 относительно ее внутренней стенки, с выполненными в нем каналами закрутки 6 и дополнительной щелевой кольцеобразной камерой 7. Каналы закрутки 6 тангенциальные, но могут быть любого типа, они подключены к напорной магистрали 4 через выполненный в центральном теле канал 8 и сообщены соплом 3 через дополнительную щелевую кольцеобразную камеру 7 и зазор 9 между центральным телом и стенкой проточной камеры. Устройство снабжено также дополнительной магистралью 10 с ограничителем расхода 11, подключенной к напорной магистрали 4 через ограничитель расхода 11 и сообщенной с соплом 3 через зазор 9 между центральным телом 5 и стенкой проточной камеры 3. Дополнительная магистраль снабжена упругой полостью 12, заполненной газом и подвижной перегородкой. Вместо перегородки может быть использована эластичная мембрана.

Устройство работает следующим образом.

Рабочая жидкость от насоса по напорной магистрали 4 поступает через канал 8, каналы закрутки 6 и щелевидную камеру 7 в проточную камеру и образует в щелевидной камере 7 и зазоре 9 между центральным телом и стенкой проточной камеры полый жидкостный вихрь. Поскольку жидкость поступает во внутреннюю поверхность вихревого движения - в область пониженного давления и слабого трения, то потери давления и энергии минимальны, что приводит к быстрому образованию мощного вихря с большим периферийным центробежным давлением. Центробежные силы препятствуют истечению циркулирующих внутри проточной камеры частиц жидкости через ее зауженную часть в сопло 3 - на выход из устройства - внутри проточной камеры давление возрастает. Одновременно из напорной магистрали 4 жидкость поступает через ограничитель расхода 11 в дополнительную магистраль и по ней в зазор 9 между центральным телом 5 и внутренней стенкой проточной камеры 2. Определяющую роль играют явления, происходящие в узком зазоре 9. Здесь частицы жидкостного вихря с высокой тангенциальной составляющей скорости взаимодействуют со стенками зазора 9 и с частицами незакрученной или противоположно закрученной жидкости, поступающей из дополнительной магистрали 10. В результате происходит резкое замедление скорости вращения. Причем расположение границы неподвижной и закрученной жидкости по длине зазора 9 очень неустойчиво и управляется небольшим изменением давления в дополнительной магистрали 10. В этом заключается принцип действия данного вихревого усилительного управляющего элемента. При скачке давления в дополнительной магистрали 10, в узком зазоре 9 происходит скачкообразное смещение границы вихря и перекрытие каналов закрутки 6 потоком незакрученной жидкости, поступающим из дополнительной магистрали 10. Это приводит к "подрезке" вихря и скачкообразному падению скорости вращения жидкости в области вихря между каналами закрутки 6 и соплом 3 с реализацией накопленного там центробежного давления, что сопровождается резким выбросом магистральной жидкости из сопла 3 на выход из устройства. При падении давления в дополнительной магистрали 10 и в проточной камере 2 в зазоре 9 опять образуется мощный полый вихрь. При колебаниях давления в поступающей из дополнительной магистрали 10 жидкости вышеописанный процесс многократно повторяется, обеспечивая развитие мощных колебаний в потоке жидкости на выходе устройства.

Автоколебательность работы устройства обеспечивается развитием колебаний в дополнительной магистрали. Упругая полость 12 в совокупности с объемом жидкости в дополнительной магистрали 10 и ограничитель 11 расхода в виде зауженного канала в совокупности являются осциллятором с сосредоточенными параметрами. Кинетическая и потенциальная энергия его локализуются в разных "телах" - в узком канале 11 и в объеме дополнительной магистрали 10. Подобный осциллятор является аналогом резонатора Гельмгольца, его низкая собственная резонансная частота колебаний определяется диаметром и длиной зауженного канала - ограничителя расхода, а также объемом дополнительной магистрали, плотностью и сжимаемостью ее среды. Поскольку возбуждение данного резонатора происходит посредством гидравлической связи по зазору 9 процессами вихреобразования в проточной камере 2, то при согласовании характерного времени вихреобразования с его собственной частотой происходит резонансный режим генерации колебаний, характеризующийся максимальным накоплением центробежного давления в вихре и генерацией максимальных по амплитуде импульсов расхода на выходе.

Изменением длины и диаметра канала 11, а также изменением упругости газа в полости 12 собственная частота упругих колебаний в дополнительной магистрали 10 колебаний согласуется с характерным временем вихреобразования в проточной камере 2 в широком диапазоне глубин скважин. Этому способствует также наличие дополнительной щелевидной кольцеобразной камеры 7, позволяющей регулировать время вихреобразования. Перед работой в скважине устройство предварительно настраивается, согласование его вышеописанных параметров осуществляется исходя из данных объекта обработки с помощью специальной компьютерной программы, имеющейся у авторов предлагаемого изобретения.

Мощность генерируемых устройством колебаний многократно повышается дублированием его элементов - проточной камеры 2 с выходным соплом 3 и центрального тела 5 с каналами закрутки 6, дополнительной щелевидной кольцеобразной камерой 7, каналом питания 8, и выполнением каскадов их соединений. При этом управляющий сигнал - импульс давления из дополнительной магистрали 10 - поступает на вход первого каскада - в зазор 9, усиливается усилительным вихревым элементом первого каскада и через сопло 3 в виде более мощного импульса поступает в зазор 13 между проточной камерой и центральным телом - на вход второго каскада. Усиленный сигнал в сочетании с противоположным направлением закрутки вихрей сочлененных каскадов эффективно управляет рабочим потоком вихря повышенной мощности второго каскада. При этом обеспечивается эффективная генерация колебаний расхода от потоков напорной магистрали повышенной мощности. Каскадное выполнение и увеличение мощности работы устройства не требует увеличения его радиальных габаритов, что особенно существенно для условий работы в скважинах.

В предлагаемом изобретении не используются механические или какие-либо другие подвижные элементы, что приводит к повышению надежности работы устройства, упрощению конструкции элементов, его реализующих, а, следовательно, и к расширению областей его применения.

Использование изобретения и промышленная применимость устройства по вышеуказанным назначениям подтверждается известностью функционально идентичных устройств.

Устройство для волновой обработки призабойной зоны пласта прошло промышленную проверку с положительным результатом.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а также к технике возбуждения колебаний скорости, расхода и давления жидкости и может быть использовано в качестве нефтепромыслового оборудования при освоении и повышении продуктивности продуктивных горизонтов, в процессах добычи нефти. В корпусе размещена проточная камера с выходным соплом. В проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки установлено центральное тело. Каналы закрутки выполнены в центральном теле, сообщены с соплом через дополнительную щелевидную кольцеобразную камеру и через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры и связаны с напорной магистралью каналом. К напорной магистрали через ограничитель расхода и зазор между центральным телом и стенкой присоединена дополнительная магистраль. Ограничитель расхода выполнен в виде зауженного канала, сообщающего напорную магистраль с дополнительной магистралью. Повышается эффективность в работе устройства при увеличении надежности, снижаются энергетические затраты, расширяется частотный диапазон эффективной генерации. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для волновой обработки призабойной зоны пласта, содержащее корпус, размещенную в нем проточную камеру с выходным соплом, центральное тело, установленное в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки, каналы закрутки, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, и дополнительную магистраль, подсоединенную к напорной магистрали через ограничитель расхода и сообщенную с соплом через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры, отличающееся тем, что каналы закрутки выполнены в центральном теле, которое также снабжено дополнительной щелевидной кольцеобразной камерой и каналом, связывающим каналы закрутки с напорной магистралью, каналы закрутки сообщены с соплом через дополнительную щелевидную кольцеобразную камеру и через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры, ограничитель расхода выполнен в виде зауженного канала, сообщающего напорную магистраль с дополнительной магистралью. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его ограничитель расхода - зауженный канал выполнен с возможностью регулирования длины и диаметра. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его элементы: проточная камера с выходным соплом, центральное тело с каналами закрутки, дополнительной щелевидной кольцеобразной камерой и каналом питания, связывающим каналы закрутки с напорной магистралью, - по меньшей мере дублированы и образуют каскад, причем зазор между центральным телом и боковой стенкой последующей проточной камеры сообщен с выходным соплом предыдущей проточной камеры, а направление закрутки жидкости каждых последующих каналов закрутки противоположно направлению закрутки жидкости предыдущих каналов закрутки.