ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЕ СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК E21B43/25 

Изобретение относится к электрогидроимпульсным устройствам для воздействия на призабойную зону нефтегазоводоносных скважин с целью очистки зон перфорации, фильтров скважин и повышения проницаемости продуктивного пласта при добыче нефти, газа, воды и других полезных ископаемых, а также для воздействия через обсадную колонну на тампонажный раствор после окончания его продавки в заколонное пространство с целью повышения качества цементирования обсадной колонны в скважине.

Известно электрогидроимпульсное скважинное устройство по авторскому свидетельству СССР 1457489, МКИ 4, Е 21 В 43/24, которое содержит полый корпус, заполненный диэлектрической жидкостью и выполненный с окнами, перекрытыми кольцевой мембраной, центральный электрод с изолятором, помещенные в корпусе, генератор импульсных токов, электрически связанный с центральным электродом, при этом в корпусе выполнены выходные каналы, расположенные в верхней части полости, образованной мембраной, и перекрытые по внешней поверхности эластичным кольцом.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие: полый корпус, являющийся отрицательным электродом, заполненный жидкостью и выполненный с окнами, перекрытыми кольцевой мембраной, и с выходным каналом, центральный электрод с изолятором, помещенные в корпусе, генератор импульсных токов, электрически связанный с центральным электродом.

К причинам, препятствующим получению требуемого технического результата в этом устройстве, следует отнести то, что в процессе воспроизведения разрядов в диэлектрической жидкости, заполняющей замкнутую разрядную камеру, повышается ее электропроводность за счет появления заряженных частиц (ионов) в объеме жидкости при воздействии высоких давлений и температур в канале разряда и электрохимической коррозии материала электродов. Повышение электропроводности жидкости приводит к увеличению предпробивных потерь энергии, изменению параметров генерируемых при воспроизведении разрядов ударных волн в сторону уменьшения амплитуды импульса и соответственно уменьшения эффективности воздействия на пласт. Постепенное увеличение предпробивных потерь электрической энергии в каждом последующем разряде за счет повышения электропроводности рабочей жидкости может продолжаться вплоть до получения беспробойных разрядов, не сопровождающихся появлением волн давления. При этом также снижается ресурсное число импульсов, запланированное на одну спуско-подъемную операцию.

В качестве прототипа выбрано электрогидроимпульсное скважинное устройство (по заявке 94033234 от 09.03.94, МКИ 5 Е 21 В 43/24, опубл. В БИ: Промислова власшсть, 2, 1997, стр.2.52), содержащее полый корпус, являющийся отрицательным электродом, выполненный с окнами, перекрытыми кольцевой мембраной и с выходным каналом, центральный электрод с изолятором, генератор импульсных токов, электрически связанный с центральным положительным электродом, и снабженное обратным клапаном и дросселем, а полость, образованная полым корпусом и кольцевой мембраной, заполнена рабочей жидкостью.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие: полый корпус, являющийся отрицательным электродом, заполненный рабочей жидкостью и выполненный с окнами, перекрытыми кольцевой мембраной, центральный положительный электрод с изолятором, помещенные в корпусе, генератор импульсных токов, электрически связанный с центральным положительным электродом, обратный клапан и дроссель.

К причинам, препятствующим получению требуемого технического результата, следует отнести тот факт, что по мере воспроизведения электрических разрядов в рабочей жидкости, заполняющей полость, образованную полым корпусом с окнами, перекрытыми кольцевой мембраной, электропроводность жидкости возрастает за счет образования и накопления в ней проводящих частиц, образующихся в плазме разрядного канала, количество которых увеличивается при использовании для электродов металлов сложного химического состава, например сталей. Химические добавки в металлах, например сера, реагируют в процессе разряда в условиях высоких давлений и температур в канале разряда, образуя серную кислоту. Таким же образом может образовываться азотная кислота при реакции с азотом воздуха (Малюшевский П. П., Годованная И.Н., Вишневский В.Б. и др. Изменение электропроводности дистиллированной воды под действием электрического взрыва. Электронная обработка материалов, 1987.- 5, с.62-64) и другие кислоты.

Увеличение электропроводности жидкости, заполняющей разрядную камеру, приводит к нестабильной работе устройства за счет увеличения предпробивных потерь электрической энергии и соответственно к уменьшению амплитуды излучаемых волн давления и сокращению ресурсного числа пробойных разрядов, воспроизводимых на один спуско-подъем устройства. Увеличение электропроводности рабочей жидкости тем больше, чем больше энергии было выделено в единице объема разрядной камеры. То есть, увеличение электропроводности наиболее существенно для разрядных камер малого объема замкнутого типа (П.П. Малюшевский, З.К. Кривицкая, А.З. Немировский и др. О влиянии высокоэнергетических разрядов в воде на удельное сопротивление рабочей среды разрядных камер - Электронная обработка материалов. 1978. - 4.-с.40-45).

В основу изобретения поставлена задача - усовершенствовать электрогидроимпульсное скважинное устройство, которое позволит обеспечить стабильность параметров импульсов волн давления, генерируемых при работе устройства, и за счет этого повысить эффективность работы устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в электрогидроимпульсном скважинном устройстве, содержащем полый корпус, являющийся отрицательным электродом, выполненный с окнами, перекрытыми кольцевой мембраной, и заполненный рабочей жидкостью, в котором размещены дроссель, обратный клапан и центральный положительный электрод с изолятором, электрически связанный с генератором импульсных токов, согласно изобретению рабочие поверхности положительного и отрицательного электродов выполнены из металла с высокой стойкостью к электрохимической коррозии, например из технической меди. В качестве рабочей жидкости использован раствор соли с щелочными свойствами в воде с рН больше 10, например раствор кальцинированной соды в воде. Раствор кальцинированной соды в воде может иметь концентрацию 0,1-0,3 г/л.

Раскрывая причинно-следственную связь между существенными признаками заявляемого устройства и техническим результатом, необходимо отметить следующее.

Отличительные признаки изобретения: выполнение рабочих поверхностей положительного и отрицательного электродов из металла с высокой устойчивостью к электрохимической коррозии и использование в качестве рабочей жидкости раствора соли с щелочными свойствами в воде с рН больше 10 в сочетании с известными признаками устройства обеспечивают удаление из рабочей жидкости образующихся в процессе работы устройства проводящих частиц. Электропроводность рабочей жидкости при этом не увеличивается, предпробивные потери электрической энергии не растут, за счет чего обеспечиваются стабильные параметры импульсов давления, генерируемых при работе устройства.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен общий вид погружной части электрогидроимпульсного скважинного устройства; на фиг.2 показана нижняя часть устройства; на фиг.3 - радиальное сечение нижней части устройства.

Электрогидроимпульсное скважинное устройство содержит герметичный разъемный корпус, состоящий из верхней 1 и нижней 2 частей. Верхняя часть 1 корпуса связана с наземной частью каротажным кабелем (не показан), обеспечивающим подъем и спуск устройства в скважине, а также подачу на него электропитания. Положительный электрод 3 размещен в изоляторах 4. В нижней части 2 корпуса, являющегося отрицательным электродом, выполнены окна 5, расположенные по периметру напротив рабочей части положительного электрода 3. Образующая корпуса в этой зоне выполнена в виде кольцевой эластичной мембраны 6, перекрывающей окна 5.

Положительный электрод 3 расположен в заполненной рабочей жидкостью герметичной полости 7, образованной нижней частью 2 корпуса с окнами 5, перекрытыми кольцевой мембраной 6. В нижней части 2 корпуса над полостью 7 выполнена дополнительная полость 8. В ней расположен обратный клапан 9. Верхняя часть дополнительной полости 8 над обратным клапаном 9 сообщается с полостью 7 через дроссель 10.

Рабочие поверхности 11 и 12 центрального положительного электрода 3 и отрицательного электрода - нижней части 2 корпуса выполнены из металла с высокой стойкостью к электрохимической коррозии, например из технической меди.

Полость 7 заполнена рабочей жидкостью в виде раствора соли с щелочными свойствами в воде с рН больше 10, в качестве которой может быть использован, например, раствор кальцинированной соды в воде с концентрацией 0,1-0,3 г/л.

Устройство работает следующим образом. При подаче высокого напряжения от генератора импульсных токов на электроды разряд развивается с рабочей поверхности 11 положительного электрода 3 в направлении рабочей поверхности 12 отрицательного электрода - нижней части 2 корпуса. При этом рабочие поверхности электродов 11 и 12 выполнены, например из технической меди. В рабочей жидкости в процессе разрядов образуются кислоты, по отношению к которым медь нейтральна. Кальцинированная сода, входящая в состав рабочей жидкости, реагирует с образованными в процессе работы устройства кислотами, вступает с ними в реакцию с образованием неустойчивой угольной кислоты, разлагающейся на газообразные продукты СО₂ и Н₂, что способствует удалению из раствора проводящих частиц. Количество соды, растворенное в воде, должно быть достаточно для нейтрализации образующихся в процессе разрядов кислот. Электропроводность рабочей жидкости при этом не увеличивается и предпробивные потери электрической энергии не растут, что обеспечивает стабильность параметров генерируемых волн давления.

Далее ударная волна, генерируемая в процессе разряда, распространяется в жидкости, заполняющей полость 7, и проходит через мембрану 6 во внешнюю среду. Расширяющаяся послеразрядная полость вызывает перемещение жидкости в полости 7 и за ее пределами, так как эластичная мембрана 6 практически не влияет на гидродинамические процессы. Таким образом, эластичная мембрана 6 обеспечивает передачу в призабойную скважину интенсивных ударных волн со стабильными от разряда к разряду максимальными при заданных исходных характеристиках генератора импульсных токов параметрами, это позволяет повысить эффективность работы устройства при воздействии гидропотоков на стенки скважины и пласт.

Результаты экспериментов, проведенных в лабораторных условиях, приведены в таблице. При этом электроды выполнялись из технической меди. Рабочая жидкость в первом случае являлась раствором поваренной соли NaСl в дистиллированной воде с концентрацией, которая обеспечивала начальную оптимальную для работы устройства электропроводность рабочей жидкости 0,025-0,05 См/м (согласно патенту Украины 18912 А, МПК 5 Е 21 В 43/25. Электродная система для электрогидравлического воздействия на пласт/ Трофимова Л.П., Поклонов С. Г. , Жекул В. Г. - Дата подачи 24.09.93 г.), а во втором в соответствии с изобретением раствором кальцинированной соды Nа₂СО₃ в дистиллированной воде с концентрацией 0,1-0,3 г/л, также обеспечивающей электропроводность 0,025-0,05 См/м.

Если концентрация исходного раствора, обеспечивающего начальную электропроводность рабочей жидкости, меньше 0,1 г/л, то необходимого количества соды в растворе недостаточно для нейтрализации образующихся в процессе разрядов кислот, и электропроводность рабочей жидкости в процессе разрядов будет увеличиваться, что приведет к увеличению предпробивных потерь энергии и соответственно к снижению эффективности работы устройства.

Если концентрация раствора кальцинированной соды больше 0,3 г/л, то начальная электропроводность рабочей жидкости будет больше электропроводности (σ ==0,05 См/м), необходимой для осуществления разрядов с наименьшими предпробивными потерями электрической энергии, что также приводит к снижению эффективности работы устройства.

При этом электрическая емкость составляла С=1,6 мкФ, зарядное напряжение U₀=30 кВ. Эксперименты проводились при нармальной температуре.

После 1000 разрядов проводился замер электропроводности рабочей жидкости. Результаты замеров показали, что в первом случае электропроводность жидкости возросла на 22%. Тогда как во втором осталась практически на неизменном уровне.

Таким образом, выполнение обоих электродов из технической меди, а рабочей жидкости в виде раствора кальцинированной соды приводит к тому, что электропроводность рабочей жидкости в процессе разрядов практически не возрастает, обеспечивая тем самым минимальные потери электрической энергии на предпробойной стадии в течение всего цикла воспроизведения разрядов. Это обеспечивает поддержание параметров импульсов давления на первоначальном уровне и, в конечном итоге, повышает эффективность обработки скважин электрогидроимпульсными устройствами.

Изобретение предназначено для воздействия на призабойную зону нефтегазоводоносных скважин и тампонажный раствор после окончания его продавки в заколонное пространство скважины. Электрогидроимпульсное устройство содержит полый корпус, являющийся отрицательным электродом, который выполнен с окнами, перекрытыми кольцевой мембраной, и заполнен рабочей жидкостью. В корпусе размещены дроссель, обратный клапан и положительный электрод с изолятором, электрически связанный с генератором импульсных токов. Рабочие поверхности положительного и отрицательного электродов выполнены из металла с высокой стойкостью к электрохимической коррозии, например из технической меди. В качестве рабочей жидкости использован раствор соли с щелочными свойствами в воде с рН больше 10, например раствор кальцинированной соды в воде в концентрации 0,1-0,3 г/л. Технический результат состоит в обеспечении параметров импульсов давления на первоначальном уровне при воспроизведении разрядов, генерируемых электрогидроимпульсным устройством, в течение всего цикла обработки скважины. 3 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Электрогидроимпульсное скважинное устройство, содержащее полый корпус, являющийся отрицательным электродом, выполненный с окнами, перекрытыми кольцевой мембраной, и заполненный рабочей жидкостью, в котором размещены дроссель, обратный клапан и положительный электрод с изолятором, электрически связанный с генератором импульсных токов, отличающееся тем, что рабочие поверхности положительного и отрицательного электродов выполнены из металла с высокой стойкостью к электрохимической коррозии, а в качестве рабочей жидкости использован раствор соли с щелочными свойствами в воде с pH больше 10. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочие поверхности электродов выполнены из технической меди. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве рабочей жидкости использован раствор кальцинированной соды в воде. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что раствор кальцинированной соды в воде имеет концентрацию 0,1-0,3 г/л.