СКВАЖИННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК E21B43/25 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам для возбуждения скважин с использованием гидроакустических волн с целью увеличения дебита скважин. Устройство может быть использовано для освоения скважин и вызова притока нефти, а также для комплексной обработки с использованием химических реагентов и кислот эксплуатационных и нагнетательных скважин.

Прототипом предлагаемого изобретения является скважинный гидроакустический генератор, содержащий корпус с каналом подвода рабочего агента, вихревую камеру с тангенциально-направленными каналами и конически сужающимся выходным соплом (см. патент США 5311955, кл. США 157/67; 175/393; 1994 г., ЕР 0512331 Al, int Cl⁵ E 21 B 7/18, 1992 г.).

В указанном прототипе поток рабочего агента непосредственно поступает в тангенциальные каналы вихревой камеры. При этом из-за резкого изменения направления и сечения потока сильно возрастает перепад давления в устройстве. Это приводит к снижению КПД и эффективности работы устройства и воздействия на пласт.

Кроме того, в отличие от прототипа, предлагаемое изобретение позволяет увеличить интервал воздействия за счет секционирования и регулировать направление гидроакустического воздействия.

Целью и техническим результатом изобретения является разработка конструкции скважинного гидроакустического генератора с высоким акустическим КПД, обеспечивающего эффективность воздействия на пласт и увеличение притока в различных геолого-технических условиях.

Для достижения цели и технического результата в конструкции скважинного гидроакустического генератора, содержащего корпус с каналом подвода рабочего агента, вихревую камеру с тангенциально-направленными входными каналами и конически сужающимся выходным соплом, согласно изобретению вихревая камера снабжена камерой предварительного закручивания потока рабочего агента с тангенциальными входными каналами и установлена над вихревой камерой, причем тангенциальные входные каналы предварительного закручивания потока и вихревой камеры имеют одинаковое вращательное направление (см. фиг. 1).

Кроме того, корпус гидроакустического генератора может быть снабжен эжекционным узлом, выполненным в виде кольцевого сопла, направленного вверх по межтрубному пространству, седлом, опорным элементом, а вихревая камера выполнена подпружиненной и снабжена кольцевым плечиком для взаимодействия с седлом корпуса и верхним торцом пружины, а нижний торец пружины соединен с опорным элементом (см. фиг. 2, 3 и 4).

В гидроакустическом генераторе, содержащем вихревую камеру, расположенную нормально (вертикально) к оси устройства с тангенциальными входными каналами и соосно расположенными выходными соплами, согласно изобретению вихревая камера снабжена цилиндрической камерой предварительного закручивания потока рабочего агента с тангенциальными входными каналами и размещена концентрично внутри цилиндрической камеры предварительного закручивания потока, причем тангенциальные входные каналы цилиндрической камеры и вихревой камеры имеют одинаковое вращательное направление (см. фиг. 5 и 6).

Кроме того, конструкция устройства предусматривает секционирование между собой нескольких генераторов с целью увеличения охвата обрабатываемого интервала продуктивного пласта (см. фиг. 5, 6 и 7).

С целью регулирования направления воздействия на пласт вихревые камеры снабжены односторонними заглушками и выполнены с возможностью одностороннего излучения гидроакустических волн, а между соединениями корпуса установлены регулировочные кольца (см. фиг. 6 и 7).

Кроме того, с целью снижения гидравлических потерь внутри гидроакустического генератора и на выходе из сопла, направление вращения рабочего агента в каждой вихревой камере выполнено в противоположном направлении относительно направления вращения рабочего агента в соседних (прилегающих) вихревых камерах (см. фиг. 6 и 7).

Обоснование некоторых отличительных признаков.

В предложенном устройстве, в отличие от прототипа, вихревые камеры снабжены камерой предварительного закручивания потока рабочего агента с тангенциальными входными каналами, причем тангенциальные каналы камеры предварительного закручивания потока и вихревой камеры имеют одинаковое вращательное направление (см. фиг. 1, 5 и 6).

Это обеспечивает предварительное вращательное движение потока рабочего агента перед вихревой камерой в том же направлении, что и в вихревой камере, и позволяет получить определенную начальную тангенциальную скорость на входе в вихревую камеру. Это, в свою очередь, повысит акустический КПД и эффективность воздействия на пласт. Для этого суммарное сечение тангенциальных каналов камеры предварительного закручивания потока должно быть кратно больше суммарного сечения тангенциальных входных каналов вихревой камеры.

Эжекционный узел способствует снижению забойного давления на продуктивный пласт и увеличению притока нефти.

Подпружиненная вихревая камера совершает автоколебания в потоке рабочего агента. При этом вихревая камера генерирует моделированные гидроакустические волны (см. фиг. 4).

Высокочастотные волны в модуляции с низкочастотными увеличивают глубину воздействия на пласт.

Секционирование гидроакустических генераторов (см. фиг. 5 и 6) позволяет расширить зону воздействия в зависимости от толщины пласта.

Гидроакустические генераторы одностороннего излучения могут быть эффективно использованы для обработки обводненных скважин. Исключить гидроакустическое воздействие со стороны водопритока и тем самым уменьшить содержание воды в добываемой нефти.

Регулировочные кольца служат для фиксации гидроакустических генераторов относительно друг друга в требуемом положении при секционировании.

Отличительный признак по п.6, как показано на фиг. 7, способствует снижению гидравлических потерь внутри устройства и на выходе из сопла за счет исключения противотоков рабочего агента.

Сущность изобретения поясняется приведенными чертежами:
- на фиг. 1 изображен общий вид гидроакустического генератора в разрезе с предварительной камерой закручивания потока рабочего агента;
- на фиг. 2 и 3 - гидроакустический генератор, выполненный с эжекционным узлом и подпружиненной вихревой камерой;
- на фиг. 2 - положение, когда кольцевое сопло закрыто;
- на фиг. 3 - кольцевое сопло открыто;
- на фиг. 4 - амплитудно-частотная характеристика гидроакустического генератора с подпружиненной вихревой камерой;
- на фиг. 5 - общий вид секционированного гидроакустического генератора с вихревыми камерами, расположенными нормально к оси устройства, и цилиндрическими камерами предварительного закручивания потока;
- на фиг. 6 - общий вид секционированного гидроакустического генератора одностороннего излучения с заглушками и цилиндрическими камерами предварительного закручивания потока;
- на фиг. 7 показано направление вращения потока рабочего агента в вихревых камерах.

Устройство (см. фиг. 1, 2, 3 и 5) состоит из корпуса 1 с каналом подвода 2 рабочего агента. Внутри корпуса 1 установлена вихревая камера 3 с тангенциально-направленными входными каналами 4. Вихревая камера 3 имеет конически сужающееся выходное сопло 5. Торцевая поверхность выходного сопла 5 закруглена по радиусу. С целью снижения гидравлических потерь и повышения акустического КПД вихревая камера 3 снабжена камерой 6 предварительного закручивания потока. Камера 6 имеет тангенциальные входные каналы 7. Тангенциальные каналы 4 и 7 имеют одинаковое вращательное направление.

С целью снижения забойного давления и повышения эффективности воздействия на пласт корпус 1 может быть снабжен эжекционным узлом (см. фиг. 2 и 3), выполненным в виде кольцевого сопла 8, направленного вверх по межтрубному пространству. Кроме того, с целью получения модулированных гидроакустических волн (см. фиг. 4) и повышения эффективности воздействия на пласт вихревая камера 3 выполнена подпружиненной. Пружина 9 установлена между кольцевым плечиком 10 и опорным элементом 11. Кольцевой плечик 10 сопрягается с седлом 12. В процессе выполнения работы подпружиненная вихревая камера 3 совершает автоколебания и генерирует модулированные гидроакустические волны (см. фиг. 4).

Скважинный гидроакустический генератор (см. фиг. 5 и 6) может быть выполнен с вихревыми камерами 13, расположенными нормально к оси устройства, тангенциально-направленными входными каналами 4. Вихревая камера 13 выполнена с двумя противоположно направленными и соосно расположенными выходными соплами 15. Вихревая камера 13 снабжена цилиндрической камерой 16 предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами 17. Вихревая камера 13 размещена концентрично внутри цилиндрической камеры 16. Тангенциальные каналы 14 и 17 имеют одинаковое вращательное направление. С целью увеличения охвата волнового воздействия устройство может быть секционировано между собой при помощи резьбового соединения 18 и регулировочными кольцами 19. Регулировочные кольца 19 служат для фиксации выходных сопл 15 относительно друг друга в требуемом направлении. Для обеспечения одностороннего направленного гидроакустического воздействия вихревые камеры 13 снабжены заглушками 20 (см. фиг. 6).

С целью получения требуемой амплитудно-частотной характеристики вихревые камеры 3 и 13 могут быть выполнены конической, цилиндрической и сферической.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Рабочий агент (жидкость, газ или многофазная жидкость) подается по трубам НКТ во входной канал 2, где по тангенциально-направленным каналам 7 поступает в камеру 6 предварительного закручивания. В камере 6 поток приобретает определенную скорость вращения. Далее вращающийся поток по тангенциально-направленным каналам 4 поступает в вихревую камеру 3. В вихревой камере 3 поток начинает вращаться с большей частотой вращения, чем в камере 6 предварительного закручивания потока. Частота вращения в вихревой камере 3 составляет 10³... 1,5•10³ с^-1. При этом в выходном сопле 5 генерируются гидроакустические волны.

Рассмотрим принцип работы устройства, показанного на фиг. 2 и 3. При подаче рабочего агента над вихревой камерой 3 в канале 2 создается давление, под воздействием которого вихревая камера 3 перемещается вниз, сжимая пружину 9. При этом канал 2 сообщается с кольцевым соплом 8, и часть рабочего потока поступает в кольцевое сопло 8 и межтрубное пространство скважины, увлекает за собой инжектируемую жидкость призабойной зоны. Таким образом, в межтрубном кольцевом пространстве реализуется эффект струйного насоса и в зоне продуктивного пласта создается дополнительная депрессия.

Одновременно другая часть потока рабочего агента через тангенциальные каналы 4 поступает в вихревую камеру 3. Далее вихревая камера 3 работает, как вихревой гидроакустический генератор с малой амплитудой и частотой. При этом в канале 2 над вихревой камерой 3 давление снижается, и под действием пружины 9 вихревая камера 3 возвращается. Кольцевой плечик 10 садится на седло 12, и кольцевое сопло 8 закрывается. При этом поток рабочего агента полностью проходит через вихревую камеру 3. Амплитудно-частотные параметры увеличиваются (см. фиг. 4), и цикл повторяется. Амплитуда и частота колебаний вихревой камеры 3 зависят от жесткости пружины 9 и расхода рабочего агента. Продуктивный пласт одновременно подвергается депрессионному и гидроакустическому воздействию модулированными волнами.

Принцип работы устройств, показанных на фиг. 5 и 6, не отличается от принципа работы устройства, показанного на фиг. 1, отличается только направленностью излучения гидроакустических волн.

Гидроакустические волны и кавитационные эффекты в призабойной зоне пласта приводят к разрушению различных отложений на стенки скважины и очистке закупоренных поровых каналов нефтяного пласта. Депрессионное воздействие активизирует возникновение кавитации, ускоряет приток пластовой нефти в скважину, способствует удалению продуктов очистки из поровых каналов. Кроме того, волновое поле существенно влияет на снижение вязкости пластового флюида и нефти, одновременное депрессионное воздействие увеличивает его приток в скважину.

Предложенное устройство может быть использовано для очистки призабойной зоны пласта нагнетательных скважин с целью увеличения приемистости пласта. Без конструктивных изменений может быть использовано в качестве волнового диспергатора, эмульгатора, гомогенизатора многофазных жидкостей, для диспергирования бурового и цементного растворов непосредственно в скважине в процессе выполнения технологических операций.

Устройство позволяет высокоэффективно вести комплексную обработку скважины в сочетании с термо-физико-химическими видами и повысить продуктивность и нефтеотдачу пласта.

Устройство имеет простую конструкцию, надежность в работе, технологичность в изготовлении.

Предназначен для освоения скважин и интенсификации притока нефти, комплексной обработки продуктивного пласта, эксплуатационных скважин с использованием гидроакустической волновой энергии. Скважинный гидроакустический генератор содержит корпус, вихревую камеру с тангенциальными каналами, камеру предварительного закручивания потока с тангенциальными каналами. Тангенциальные каналы вихревой камеры и камеры предварительного закручивания потока имеют одинаковое вращательное направление. Гидроакустический генератор выполнен с возможностью секционирования и регулирования направленности излучения. Снижаются гидравлические потери в устройстве, происходит повышение гидроакустической мощности, интенсификации притока нефти за счет генерирования и воздействия мощной гидроакустической энергии направленного излучения и модулированных волн. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Скважинный гидроакустический генератор, содержащий корпус с каналом подвода рабочего агента, вихревую камеру с тангенциально-направленными входными каналами и конически сужающимся выходным соплом, отличающийся тем, что вихревая камера снабжена камерой предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами и установлена над вихревой камерой, причем тангенциальные входные каналы камеры предварительного закручивания потока и вихревой камеры имеют одинаковое вращательное направление. 2. Скважинный гидроакустический генератор по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен эжекционным узлом, выполненным в виде кольцевого сопла, направленного вверх, седлом, опорным элементом, а вихревая камера выполнена подпружиненной и снабжена кольцевым плечиком для взаимодействия с седлом корпуса и верхним торцом пружины, а нижний торец пружины соединен с опорным элементом. 3. Скважинный гидроакустический генератор, содержащий вихревую камеру, расположенную нормально к оси устройства с тангенциально-направленными входными каналами и двумя противоположно направленными и соосно расположенными выходными соплами, отличающийся тем, что вихревая камера снабжена цилиндрической камерой предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами и размещена концентрично внутри цилиндрической камеры предварительного закручивания потока, причем тангенциальные входные каналы цилиндрической камеры предварительного закручивания потока и вихревой камеры имеют одинаковое вращательное направление. 4. Скважинный гидроакустический генератор по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью секционирования при помощи резьбового соединения, выполненного на корпусе. 5. Скважинный гидроакустический генератор по п.3 или 4, отличающийся тем, что вихревые камеры снабжены заглушками и выполнены с возможностью одностороннего излучения гидроакустических волн, а между соединениями корпуса установлены регулировочные кольца. 6. Скважинный гидроакустический генератор по одному из пп.3-5, отличающийся тем, что направление вращения рабочего агента в каждой вихревой камере выполнено в противоположном направлении относительно направления вращения рабочего агента в соседних вихревых камерах.