Устройство для гидродинамического воздействия на стенки скважины Российский патент 2004 года по МПК E21B43/00 

Предлагаемое изобретение относится к области скважинных технологий и предназначено для воздействия на продуктивные пласты с целью интенсификации притоков пластовых флюидов или приемистости пластов, для декольматации пористых пластов, для очистки фильтров и труб от засорений и различного рода отложений, для создания полостей в стенках скважины путем эрозии породы струями жидкости.

Известно устройство [1] типа "Рото-джет", которое подвешивается на опоре качения на нижнем конце колонны труб или наматываемого на барабан трубопровода, имеет корпус, в котором поток нагнетаемой насосом жидкости разделяется на три или более струй, выпускаемых в скважину через тангенциальные отверстия, оснащенные насадками. За счет гидродинамического напора струй стенки скважины, обсадной колонны или лифтовой колонны очищаются от грязи и наслоений, а за счет реакции струй устройство вращается.

Данное устройство принято как аналог по отношению к заявляемому. К общим недостаткам аналога можно отнести следующие:

1) сила давления струи во многих случаях недостаточна для эффективной очистки труб или стенок скважины;

2) отсутствует возможность создания кавитационной эрозии как наиболее эффективного способа очистки труб или стенок скважины.

Известно устройство [2] для создания пульсирующего потока жидкости, включающее корпус, соединенный с колонной труб или трубопроводом, внутри которого размещен механизм направления и разделения потока. Последний выполнен в виде катящегося шара, поочередно перекрывающего выходные отверстия.

Данное устройство по принципу действия представляют собой наиболее близкий аналог к заявляемому и поэтому принято за прототип К основным недостаткам прототипа относятся следующие:

1) устройство преобразует на выходе стационарный поток в пульсирующий, что усиливает гидромониторный эффект воздействия струй, но в ряде случаев является недостаточным для разрушения продуктов коррозии или извлечения твердых частиц, закупоривающих флюидоподводящие каналы, или разрушения самой породы на стенках скважины;

2) отсутствует возможность реализации кавитационного эффекта взаимодействия выходящих струй с поверхностью труб или стенок скважины;

3) механизм прерывания потока, выполненный в виде шарового элемента и приводимый в движение вихревым потоком, закрученным сверху, при перекрытии выходящего отверстия не сможет сместить шар, прижатый перепадом давления, что делает данное устройство в целом неработоспособным.

Целью предлагаемого изобретения является получение кавитации при больших значениях внешнего (гидростатического) давления за счет частичного или полного разрыва потока жидкости, повышение эффективности гидродинамического воздействия на стенки скважины за счет кавитации потока жидкости и снижение затрат гидравлической мощности насоса на реализацию этого процесса. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, включающем корпус, присоединенный к трубопроводу на опоре вращения или без нее, внутри которого размещены сверху-вниз механизм кавитации потока жидкости, механизм направления и разделения потока и механизм прерывания выходящей струи, механизм кавитации потока жидкости выполнен в виде автоколебательной системы. В частности он может быть выполнен в виде шара, отношение диаметра которого к внутреннему диаметру корпуса составляет 0,9-0,98, имеющего ограничитель осевого перемещения, или в виде шара, отношение диаметра которого к внутреннему диаметру корпуса составляет менее 0,9, имеющего ограничитель осевого перемещения, выполненный в виде цилиндрической пружины, нижний конец которой жестко закреплен в корпусе, а верхний имеет посадочное место для шара, или в виде конуса, острием направленного навстречу потоку, помещенного в диффузор с зазором для протока жидкости и имеющего свободу осевого перемещения, или в виде заслонки, свободно вращающейся на поперечной оси и имеющей выпуклости половинок с противоположных сторон относительно оси вращения. А механизм прерывания выходящей струи выполнен в виде катящихся цилиндрических тел, распределенных в корпусе на равных или на разных расстояниях друг от друга с помощью крыльчатки и опирающихся на общий шар, выполняющий роль опоры качения и обратного клапана, при этом число цилиндрических тел равно n + 1 или n - 1 по отношению к числу n выпускных отверстий.

На фиг.1 а, б, в, г представлены устройства, отличающиеся конструктивным исполнением механизма кавитации потока жидкости, работающие в автоколебательном режиме.

На фиг.2 представлено устройство c сечениями, отличающееся механизмом прерывания выходящей струи.

На фиг.3 показана общая сборка, включающая один из вариантов механизма кавитации потока жидкости, механизм направления и разделения потока и предлагаемый механизм прерывания выходящей струи.

Устройство с механизмом кавитации потока жидкости в виде шара с ограничителем его осевого перемещения (фиг.1а) под названием "Ротокавитатор" работает следующим образом. Поток жидкости, нагнетаемый в скважину по трубопроводу (или колонне труб), обтекает шар, за которым ниже по потоку образуется кавитационная каверна. За счет ускорения жидкости в зазоре между шаром и корпусом согласно закону Бернулли давление падает и шар перемещается в радиальном направлении до упора в стенку корпуса. В это время открывается зазор с другой стороны шара и часть кавитационной каверны срезается и уносится потоком. При этом каверна дробится на ряд более мелких пузырьков и последние выносятся через боковые, тангенциально направленные выходные отверстия и схлопываются при встрече с преградой (стенки труб или скважины). За счет реакции выходящих струй устройство, присоединенное к трубопроводу (колонне труб) на опоре качения или скольжения, вращается и таким образом происходит обработка стенок скважины или труб по всей окружности. Осевое перемещение устройства в скважине осуществляется обычным путем спуска или подъема колонны труб.

Устройство с механизмом кавитации потока жидкости в виде шара, расположенного на пружинной опоре (фиг.1б), работает следующим образом.

Шар (2), имеющий отношение диаметра к внутреннему диаметру корпуса (1) менее 0,9 обтекается потоком жидкости и вовлекается во вращательное движение (качение по стенке корпуса) вследствие переменного сечения зазора между шаром и корпусом. Центробежная сила от веса шара, условия обтекания шара нисходящим потоком жидкости и трения о стенки корпуса заставляет шар подниматься вверх навстречу потоку. Однако из-за нестационарности потока в какой-то момент шар срывается и летит, движимый потоком, вниз. Пружина (3) принимает и пассивирует удар шара (2). При ударе шара и его резкой остановке происходит формирование и отрыв кавитационной каверны, которая уносится потоком дальше. После этого описанный процесс повторяется заново.

Устройство с механизмом кавитации в виде конуса (фиг.1в) работает следующим образом.

Поток жидкости, нагнетаемый в скважину по трубопроводу (1) (или колонне труб), обтекает конус (2), помещенный в диффузоре (3) с зазором. За конусом (2) образуется зона разрежения и формируется кавитационная каверна (4). Конус (2) с хвостовиком (5), имея возможность перемещения во втулке (6), совершает автоколебания в осевом направлении. Это обеспечивает отрыв фрагментов кавитационной каверны (4) и вынос их в виде пузырьков через отверстия во втулке (6) и далее через боковые, тангенциально направленные выходные отверстия в скважину, где они схлопываются при встрече с преградой.

Устройство с механизмом кавитации в виде вращающейся заслонки (фиг.1г) работает следующим образом.

При протекании жидкости заслонка (2), свободно вращающуюся на поперечной оси (3), закрепленной концами в корпусе (1), поворачивается плоскостью параллельно потоку (). Однако выпуклости половинок заслонки, направленные в разные стороны, создают сужения потока, в результате чего возникает вращающий момент и заслонка периодически перекрывает поток. Происходит разрыв потока и образование каверны, которая при повороте заслонки (2) на 90° выносится вниз и через боковые, тангенциально направленные выходные отверстия в скважину, где она схлопывается при встрече с преградой.

Устройство с механизмом прерывания выходящей струи в виде катящихся цилиндрических тел (фиг.2) работает следующим образом.

Тангенциально выходящие струи создают реактивное вращение корпуса (1), который концентрично посажен на неподвижный патрубок (2), соединенный с механизмом кавитации потока жидкости. Цилиндрические тела качения (3) располагаются в кольцевом пространстве между вращающимся корпусом (1) и неподвижным патрубком (2) и разделены друг от друга крыльчаткой (4), жестко соединенной с неподвижным патрубком (2). Они выполняют одновременно роль радиального подшипника качения и прерывателей струи.

Шар (5), на который опираются цилиндрические тела (3), служит одновременно опорой качения и обратным клапаном. Необходимость обратного клапана очевидна для заполнения трубопровода (колонны труб) жидкостью при спуске в скважину, т.к. жидкость может входить туда только через тангенциальные выпускные отверстия (6). Однако без обратного клапана это может привести к забивке выпускных отверстий и смятию колонн труб внешним гидростатическим давлением.

Обоснование необходимости включения механизма кавитации потока жидкости в состав устройства для гидродинамического воздействия на стенки скважины.

Известные способы и устройства для гидродинамического воздействия на стенки скважины [1, 2 и др.] основаны на гидромониторном эффекте или на эффектах ударного взаимодействия пульсирующей струи с преградой, включая кумулятивный эффект. Они реализуются в однородной среде (жидкости) и требуют больших затрат гидравлической энергии, чтобы обеспечить максимально возможную скорость выброса струи.

Кавитация дает возможность получить двухфазную среду - газожидкостную систему, где пузырьки газа существуют очень короткое время, т.к. схлопываются под действием внешнего гидростатического давления. Однако высокие скорости истечения из выходных отверстий позволяют вывести их из устройства до встречи с преградой (стенки скважины или трубы). Здесь пузырьки схлопываются и совершают необходимую работу. При схлопывании пузырька развивается локальное отрицательное давление до 1000 МПа, после чего возникает микроударная волна в окружающую жидкость. Это и обеспечивает высокую эффективность кавитационной струи для очистки или эрозии поверхности, с которой она взаимодействует. Схлопывающие пузырьки позволяют легко извлекать из пористой или трещиноватой породы кольматанты: капельную воду, частицы песка и глины, а циркуляция жидкости в скважине выносит их на поверхность. Обратная микроударная волна порождает микротрещины в породе и тем самым открывает новые каналы для улучшения проницаемости призабойной зоны в продуктивных пластах.

Проблема кавитации потока жидкости в скважинах, где внешнее гидростатическое давление составляет 20-40 МПа, заключается в том, как получить и поддерживать разрывы жидкости в виде каверн в этих условиях. Известными способами создать разрежение в жидкости до ее адиабатического вскипания невозможно. Поэтому авторы предлагают устройства, позволяющие получать разрывы потока жидкости за счет высокой скорости ее прокачки и периодического полного или частичного перекрытия потока. В этом случае реализуются чрезвычайно большие силы инерции движущейся жидкости и поток в месте перекрытия разрывается несмотря на высокое гидростатическое давление.

Разрыв потока в скважине можно также получить с помощью различных гидроударников или иных клапанных систем, но на это затрачивается слишком большая гидравлическая энергия, требуются сложные по конструкции механизмы (быстро выходящие из строя) и создаются гидроударные нагрузки в нагнетательном трубопроводе. Кроме того, частота разрывов ограничена и недостаточна для непрерывного поддержания процесса кавитации.

Автоколебательные устройства, предлагаемые здесь, обладают простотой конструктивного исполнения и минимальными потерями давления (не более 3 МПа при расходах до 30 л/с). В совокупности с заявленным прерывателем выходящей струи данное устройство генерирует пульсирующий режим кругового кавитирующего воздействия на стенки скважины.

Промысловые испытания данных устройств в глубоких скважинах в РФ, Омане, Норвегии показали, что за счет декольматации продуктивных пластов удается повысить в 2-3 раза притоки нефти и обеспечить быструю очистку лифтовых и обсадных труб от различного рода отложений.

Источники информации

1. Патент США 4919204, 04.1990 г.

2. Патент США 5505262, 04.1996 г.

Изобретение относится к области скважинных технологий и предназначено для воздействия на продуктивные пласты. Обеспечивает интенсификацию притоков пластовых флюидов и приемистости пластов, декольматацию пористых пластов, очистку фильтров и труб от засорений и различного рода отложений и создание полостей в стенках скважины путем эрозии породы струями жидкости за счет кавитации. Сущность изобретения: устройство включает корпус, присоединенный к трубопроводу на опоре вращения или без нее, внутри которого размещен сверху вниз механизм кавитации потока жидкости, механизм направления и разделения потока и механизм прерывания выходящей струи. При этом механизм кавитации потока жидкости выполнен в виде автоколебательной системы с возможностью получения непрерывного поддержания разрывов потока жидкости в пульсирующем режиме с круговым воздействием на стенки скважины за счет периодического полного или частичного перекрытия этого потока. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для гидродинамического воздействия на стенки скважины, включающее корпус, присоединенный к трубопроводу на опоре вращения или без нее, внутри которого размещены сверху-вниз механизм кавитации потока жидкости, механизм направления и разделения потока и механизм прерывания выходящей струи, отличающееся тем, что механизм кавитации потока жидкости выполнен в виде автоколебательной системы с возможностью получения и непрерывного поддержания разрывов потока жидкости в пульсирующем режиме с круговым воздействием на стенки скважины за счет периодического полного или частичного перекрытия этого потока.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм кавитации потока жидкости выполнен в виде шара, отношение диаметра которого к внутреннему диаметру корпуса составляет 0,9-0,98, и ограничителя осевого перемещения шара.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм кавитации потока жидкости выполнен в виде шара, отношение диаметра которого к внутреннему диаметру корпуса составляет менее 0,9, и ограничителя осевого перемещения шара, выполненного в виде цилиндрической пружины, нижний конец которой жестко закреплен в корпусе, а верхний имеет посадочное место для шара.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм кавитации потока жидкости выполнен в виде конуса, острием направленного навстречу потоку, помещенного в диффузор с зазором для протока жидкости и имеющего свободу осевого перемещения.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм кавитации потока жидкости выполнен в виде заслонки с возможностью свободного вращения последней на поперечной оси и имеющей выпуклости половинок с противоположных сторон относительно оси вращения.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм прерывания выходящей струи выполнен в виде цилиндрических тел с возможностью их качения и распределенных в корпусе на равных или на разных расстояниях друг от друга с помощью крыльчатки и опирающихся на общий шар, выполняющий роль опоры качения, и обратного клапана, при этом число цилиндрических тел равно n + 1 или n – 1 по отношению к числу n выпускных отверстий.