ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЕ ИМПУЛЬСНОЕ УСТРОЙСТВО ЭГИУ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК E21B43/25 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к генераторам импульсов тока для электрогидравлических установок, и может быть использовано в области нефтедобычи в качестве устройства для электрогидравлического ударного формования в разных отраслях производства.

Известен способ получения высоких и сверхвысоких давлений [1], по которому давление воспроизводят в результате импульсного электрического разряда внутри объема любой проводящей или непроводящей жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, а также внутри струи этой жидкости таким образом, что давление возрастает с увеличением как мощности, так и крутизны фронта импульса. В целях повышения результирующего давления, либо для расширения зоны давлений, разряды могут осуществляться на нескольких разрядниках, питаемых от отдельных контуров.

Известно также устройство для получения сверхвысоких гидравлических давлений [2], выполненное в виде цилиндрической гидравлической камеры, разделенной на отсеки или без них, сообщающейся одним концом с трубопроводом, подающим жидкость, а другим - с ресивером, с расположенными в ней искровыми промежутками, размещенными по длине камеры на определенном расстоянии друг от друга или в каждом отсеке камеры. Между отсеками установлены обратные клапаны.

По другому варианту, отсеки могут быть разделены перегородками с отверстиями. Отсекам придана форма входящих одна в другую парабол (в сечении). В целях осуществления заданного последовательного обегания разрядами всего ряда искровых промежутков применено тумблерное или поджигающее устройство.

Известен также способ получения высоких и сверхвысоких давлений для создания электрогидравлических ударов, а также устройство для его осуществления [3], заключающийся в том, что высокие и сверхвысокие давления в жидкости получают путем испарения в ней действием импульсного разряда токопроводящих элементов в виде проволоки, ленты или губки, замыкающих электроды. Токопроводящие элементы изгибают по контуру, соответственно заданному, или придают им форму конической или сферической спирали.

К недостаткам описанных способов и устройств необходимо отнести сложность конструкции и низкая надежность, обусловленная наличием испаряющихся токопроводящих элементов. Токопроводящие элементы должны подаваться в зону непрерывно и синхронизировано, что усложняет как способ, так и устройство.

Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является скважинный генератор [4], основанный на принципе электрогидравлического эффекта и предназначенный для обработки нефтяного пласта с целью повышения нефтеотдачи, представляющий собой стальную трубу с наконечником обтекаемой формы. Генератор содержит кабельный наконечник с накопителем энергии, выполненный в виде трансформаторно-выпрямительного блока с импульсными высоковольтными конденсаторами, управляемый разрядник с блоком поджига, закрепленные на шасси и помещенные в герметический стальной кожух. К нижнему концу кожуха присоединена на резьбе разрядная камера с двумя электродами. Вывод электрической энергии в генератор осуществляется через кабельный наконечник, который является промежуточным звеном при подвешивании генератора ЭГЭ в скважине на кабеле.

Недостатки известного устройства заключаются в следующем.

Электроды разрядного устройства располагаются непосредственно в обрабатываемой среде, которой в призабойной зоне и в нефтяном пласте могут быть техническая вода со степенью минерализации до 1,24, глинистые растворы, нефти с различной степенью загазованности и суспензии упомянутых веществ.

Такая среда характеризуется или повышенной электрической проводимостью (снижающей пробивное напряжение разрядного промежутка), или, наоборот, усложненными условиями для создания пробоя за счет ее электроизолирующих свойств, а также за счет повышенных окружающих давлений, достигающих величин десятков атмосфер (см. кривую Пашена - фиг.1).

В результате возникают следующие эксплуатационные недостатки скважинного генератора.

При высокой проводимости среды в скважине (соляной раствор) устройство входит в режим короткого замыкания или «утечки» энергии разряда и соответственно становится неэффективным за счет снижения величины энергии, фактически расходуемой на создание импульса давления. При этом, если в номинальном режиме разряда накопленной энергии длительность переднего фронта импульса тока носит взрывной характер с длительностью 15-50 мкс, то в режиме «утечки» длительность переднего фронта тока возрастает до 500-1500 мкс и более. В этом случае создание взрывного импульсного режима выделения электрической энергии и импульса давления невозможно.

Предпробивные потери энергии в режиме «утечки» достигают значений до 13%. Компенсация потерь приводит к росту массогабаритных показателей за счет увеличения габаритов и массы накопителя электрической энергии.

Например, конструкция одного из вариантов практической реализации скважинного генератора с использованием эффекта электрического разряда представляла собой устройство диаметром 250 мм и высотой 3500 мм при запасенной энергии не более 18 Дж. Эксплуатация устройства с такой малой величиной энергии и повышенными габаритами малоэффективна, ограничивает обработку обсадной трубы с пониженными диаметрами, с переменной конфигурацией уклонов по сечению пласта, затрудняет перемещение такого генератора от скважины к скважине.

Кроме того, в связи с ростом пробивных напряжений при достижении глубин в скважине до 2000 метров и более и за счет увеличения электропрочности нефтяной среды приходится уменьшать величину разрядного промежутка для обеспечения гарантированного пробоя, что снижает фактически выделяемую между электродами разрядного устройства энергию за счет уменьшения падения напряжения в разрядном промежутке и соответственно эффективность обработки пласта.

Использование генераторов на основе электрического разряда в жидкость ниже глубин 2000 метров проблематично из-за несрабатывания разрядного устройства по причине высоких пробивных напряжений разрядного промежутка, например, до 20 кВ и выше в соответствии с "кривой Пашена".

Взаимосвязь и взаимовлияние параметров генератора и скважины, таких как давление, искровой зазор, проводимость среды, энергопотери, приводят к нестабильности энерговыделения в широком диапазоне запасенных энергий, к необходимости предпускового анализа и подготовки генераторов к каждому использованию с учетом характеристик конкретной скважины. Это существенно усложняет эксплуатацию таких генераторов, выбор оптимальных параметров и прогноз результатов и эффективности воздействия на пласт.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышения энергии, выделяемой между электродами разрядного устройства, что повлечет повышение эффективности воздействия на нефтеносный пласт за счет одновременного уменьшение влияния параметров окружающей среды на характер разряда при упрощении конструкции электрогидравлических импульсных устройств.

Поставленная цель достигается тем, что в электрогидравлическом импульсном устройстве, содержащем накопитель электрической энергии, спусковое устройство и разрядную камеру с электродами, внутренняя полость разрядной камеры изолирована от окружающей среды таким образом, что одна из стенок разрядной полости открыта в окружающую обрабатываемую гидросреду, как минимум, один электрод размещен у стенки, противоположной открытой, вторым электродом является либо второй электрод, расположенный рядом с первым, либо стенка разрядной камеры, либо гидросреда, при этом вертикальный внутренний размер разрядной полости задан таким образом, что первый электрод не вступает в непосредственный контакт с обрабатываемой гидросредой, а внутренний объем разрядной полости выбран достаточно малым, обеспечивающим кумулятивный эффект электроразрядного импульса. Размещается разрядная полость в обрабатываемой гидросреде вертикально открытой частью стенки вниз, по типу опрокинутого стакана, в котором всегда образуется газовоздушный пузырь.

Принцип действия и конструктивные особенности электрогидравлического импульсного устройства заключаются в следующем.

На фиг.1 представлена кривая Пашена зависимости пробивного напряжения разрядного промежутка от давления окружающей среды (при d=const), на фиг.2 приведена блок-схема заявляемого электрогидравлического импульсного устройства, на фиг.3 - три варианта конструкции разрядника, на фиг.4, 5, 6, 7 - осциллограммы процесса распространения импульса давления.

Заявляемое электрогидравлическое импульсное устройство (см. фиг.2) состоит из накопителя электрической энергии 1, вход которого соединен с источником питания 2, выход - со спусковым устройством 3, которое соединено с разрядником 4, выполненным в виде разрядной полости, в которой расположены электроды 5, 6, образующие искровой промежуток.

Конструкция разрядника представлена на фиг.3 и выполнена в виде корпуса 7, в котором центральный электрод 5 закреплен в центре разрядной полости, роль второго электрода выполняет корпус 7 разрядника 4, электрод 6 изолирован прослойкой 8, разрядник 4 опущен в гидросреду открытой стенкой вниз таким образом, что полость разрядной камеры наполнена газовоздушной смесью.

Вертикальный внутренний размер разрядной полости задан таким образом, что электрод 6 постоянно находится в среде газовоздушной смеси и не вступает в непосредственный контакт с обрабатываемой гидросредой в диапазоне повышенного окружающего давления гидросреды в скважине.

Внутренний объем разрядной полости выбран достаточно малым, обеспечивающим кумулятивный эффект электроразрядного импульса.

Конструктивно функциональные блоки ЭГИУ (рис.2) расположены в едином корпусе, форма и габаритные размеры которого позволяют опускать его в нефтяную скважину.

Принцип действия электрогидравлического импульсного устройства заключается в следующем.

Напряжение от источника питания к накопителю электрической энергии (например, электрическому конденсатору большой емкости) поступает через каротажный кабель, на котором ЭГИУ опускается в скважину (на фигурах не указан) и прикладывается к электродам (к двум отдельным электродам, к первому электроду и стенке разрядника, или к первому электроду и гидросреде через стенку разрядника). При достижении напряжения на накопителе 1 величины, соответствующей величине срабатывания спускового устройства 3, которым может быть, например, газонаполненный разрядник, последнее автоматически замыкает накопитель на электроды разрядника 4. Между электродами, расположенными внутри разрядной полости, происходит разряд электрической энергии, соответствующей запасенной в накопителе величине. При разряде в газовоздушной среде возникает кумулятивный эффект, который распространяется в гидросреду и далее достигает пластов, которые подлежат обработке.

Кроме того, за счет достаточно малого внутреннего объема разрядной полости, обеспечивающего кумулятивный эффект электроразрядного импульса, при случайном попадании окружающей гидросреды под электроды и возникновении ее контакта с электродами, при первых электроразрядных импульсах за счет кумулятивного эффекта и высокой температуры плазмы разряда произойдет импульсный выброс гидросреды из разрядной полости и осушение электродов или, как минимум, первого электрода.

Благодаря этому не возникают режимы «утечки» энергии разряда из-за повышенной проводимости среды в искровом промежутке между электродами или увеличения напряжения пробоя искрового промежутка из-за повышенных изолирующих свойств среды.

При этом за счет выбора величины разрядного промежутка между электродами, достаточной для его пробоя, при повышенных окружающих давлениях в скважине гарантируется образование электрогидроимпульса.

При погружении устройства на большую глубину гидросреда будет давить на газовую полость внутри разрядной камеры 4, сжимая ее. При повышении давления внутри разрядной камеры в случае использования гидросреды в качестве второго электрода величина пробивного напряжения будет увеличиваться, а величина межэлектродного промежутка будет уменьшаться, что также гарантирует срабатывание устройства.

В таблице 1 приведены параметры импульсов давления, измеренного на стенке обсадной трубы, в зависимости от величины электрической энергии накопителя и конструктивного исполнения УГИУ.

Таблица 1Тип УГИВЭнергия накопителя (Дж)№ осциллограммы (рис.№)Величина амплитуды первого импульса (ати)Продолжительность колебательного процесса (мс)Длительность первого импульса (мс)Количество выраженных им пульсов за один разряд До:заявляемое2004390531,0808заявляемое100531044,3281,07011заявляемое20690102,8170,96030прототип200783128,8180,81024

Осциллограммы процесса распространения давления носят колебательный затухающий характер:

- количество зарегистрированных импульсов давления гидросреды достигает 30 (фиг.6),

- амплитуда импульсов давления меняется от максимальных значений 390 ати до 10 ати (фиг.4),

- продолжительность колебательного процесса гидросистемы зарегистрирована в диапазоне от 44,328 до 128,818 мс (фиг.5-фиг.7),

- продолжительность первых импульсов примерно одинакова: 0,81-1,08 мс (фиг.7, 2),

- на фиг.7 (аналог) на начальном участке отмечается режим «утечки»,

- вероятной причиной увеличенной продолжительности колебательного процесса фиг.7 является режим «утечки».

В таблице 1 представлены сравнительные данные применительно к заявляемому устройству и прототипу в зависимости от величины накопленной энергии конденсатора (поз.1 фиг.1) от 20 до 200 Дж. Таблица составлена на основании анализа осциллограмм фиг.4, 5, 6 и 7. Из данной таблицы очевидно преимущество заявляемого устройства: при величине энергии 20 Дж ее эффективность составляет 90 ати, в то время как эффективность прототипа 83 ати достигается только при величине накопленной энергии в 200 Дж.

Заявляемое устройство может быть использовано:

1) для создания упругого воздействия на пласт с целью повышения дебита скважин нефтегазовых месторождений;

2) для увеличения проницаемости прискважинной зоны пласта, очистки перфорационных отверстий и пор коллекторов от механических примесей и других загрязнений, развития систем трещин в пласте за счет упрочнения цементирующего раствора затрубного пространства;

3) для очистки фильтров артезианских скважин с целью увеличения дебита воды в сочетании с другими аппаратами;

4) для создания установок формования материалов, осуществляя, например, штамповку, обжатие, развальцовку, уплотнение, рекристаллизацию и тому подобную обработку материалов,

5) может быть использовано при строительстве и эксплуатации нефтяных, нагнетательных, водозаборных, разведочных скважин и т.п.

Достоинствами заявляемого устройства является:

- отсутствие предпусковой подготовки установки ввиду простоты конструкции;

- экологическая чистота технологии;

- производительность обработки скважин возрастает за счет неограниченного количества гидроударов за одно погружение в скважину;

- уменьшенные массогабаритные характеристики позволяют эксплуатацию ЭГИУ в условиях скважин с любой конфигурацией уклонов по сечению пласта и с любыми оперативными перемещениями от скважины к скважине;

- обслуживание установки не более чем 2 специалистами.

Источники информации

1. А.С. СССР №105011, МПК 58 А, 1950.

2. А.С. СССР №119074, МПК В 30 В, 1950.

3. A.C. СССР №129945, МПК В 30 С, 1952.

4. Л.Ф.Петряшин, Г.Н.Лысяной, В.В.Желтоухов. Об исследованиях эффективности использования электроимпульсов для интенсификации добычи нефти. Труды института ИФИНГ, вып.13, 1976, с.92-93.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к генераторам импульсов тока для электрогидравлических установок, и может быть использовано в области нефтедобычи в качестве устройства для электрогидравлического ударного формования в разных отраслях производства. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности воздействия на нефтеносный пласт за счет повышения энергии, выделяемой между электродами разрядного устройства, уменьшение влияния параметров окружающей среды на характер разряда при упрощении использования электрогидравлических импульсных устройств. Для этого электрогидравлическое импульсное устройство содержит накопитель электрической энергии, спусковое устройство и разрядную камеру с электродами. Внутренняя полость разрядной камеры изолирована от окружающей среды таким образом, что одна из стенок разрядной полости открыта в окружающую обрабатываемую гидросреду. Как минимум, один электрод размещен у стенки, противоположной открытой. Вторым электродом является либо второй электрод, расположенный на небольшом расстоянии от первого, либо стенка разрядной камеры, либо гидросреда. При этом вертикальный внутренний размер разрядной полости задан таким образом, что электроды не вступают в непосредственный контакт с обрабатываемой гидросредой. Внутренний объем разрядной полости выбран достаточно малым, обеспечивающим кумулятивный эффект электроразрядного импульса. 3 с.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Электрогидравлическое импульсное устройство ЭГИУ, содержащее накопитель электрической энергии, спусковое устройство-разрядник с электродами, отличающееся тем, что электроды размещены внутри разрядной полости, а ее внутренняя полость изолирована от окружающей среды таким образом, что одна из стенок корпуса разрядной полости открыта в окружающую обрабатываемую гидросреду, как минимум, один из электродов размещен у противоположной стенки, при этом вертикальный внутренний размер разрядной полости задан таким образом, что электроды не вступают в непосредственный контакт с обрабатываемой гидросредой, а внутренний объем разрядной полости задан обеспечивающим кумулятивный эффект электроразрядного импульса.2. Электрогидравлическое импульсное устройство ЭГИУ, содержащее накопитель электрической энергии, спусковое устройство-разрядник с электродами, отличающееся тем, что электроды размещены внутри разрядной полости, а ее внутренняя полость изолирована от окружающей среды таким образом, что одна из стенок корпуса разрядной полости открыта в окружающую обрабатываемую гидросреду, один из электродов размещен у противоположной от гидросреды стенки, вторым электродом является стенка разрядника, при этом вертикальный внутренний размер разрядной полости задан таким образом, что электроды не вступают в непосредственный контакт с обрабатываемой гидросредой, а внутренний объем разрядной полости задан обеспечивающим кумулятивный эффект электроразрядного импульса.3. Электрогидравлическое импульсное устройство ЭГИУ, содержащее накопитель электрической энергии, спусковое устройство-разрядник с электродами, отличающееся тем, что электроды размещены внутри разрядной полости, а ее внутренняя полость изолирована от окружающей среды таким образом, что одна из стенок корпуса разрядной полости открыта в окружающую обрабатываемую гидросреду, один из электродов размещен у(на) противоположной стенки, вторым электродом является гидросреда, при этом вертикальный внутренний размер разрядной полости задан таким образом, что электроды не вступают в непосредственный контакт с обрабатываемой гидросредой, а внутренний объем разрядной полости задан обеспечивающим кумулятивный эффект электроразрядного импульса.