Способ снижения влияния механических примесей на работу внутрискважинного оборудования
Владельцы патента RU 2260117:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет (RU)
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к области снижения влияния механической примеси на работу внутрискважинного оборудования. Обеспечивает эффективную эксплуатацию скважин, оборудованных погружными электроцентробежными насосами при добыче жидкости с высокой концентрацией взвешенных частиц. Сущность изобретения: внутрискважинное оборудование оборудуют погружным электроцентробежным насосом. Устанавливают составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов под погружным электроцентробежным насосом. Преобразуют низкочастотный шум погружного электроцентробежного насоса в ультразвук. Формируют в кольцевом пространстве между обсадной колонной и составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов ультразвуковые стоячие волны. Создают воздействием стоячих волн ультразвук в кольцевом пространстве между обсадной колонной и составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов на процесс коагуляции частиц механической примеси с последующим осаждением их на забой скважины. 5 ил.
Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к способам борьбы с механическими примесями при работе погружных электроцентробежных насосов.
Известны способы защиты внутрискважинного насосного оборудования, основанные на сепарации песка от жидкости до ее поступления в насос на приеме насоса, например песочные якоря [1].
Недостаток - песочные якоря забиваются механическими примесями, т.е. эксплуатация скважин в условиях интенсивного выноса механических примесей (тем более при форсировании отборов) приводит к преждевременным отказам насосного оборудования.
Наиболее близким способом к технической сущности снижения влияния частиц механической примеси (фракций твердой фазы скважинной продукции) на работу внутрискважинного оборудования можно отнести известное явление - акустической коагуляции в жидкости; - если это явление применить к технологии добычи нефти, в частности для борьбы с механическими примесями при работе погружных электроцентробежных насосов [2].
Недостаток данного способа (в случае применения современных методов возбуждения ультразвука в трубах) заключается в сложности использования ультразвуковых колебаний, например, при использовании магнитострикционного метода (или других методов) необходима электроэнергия, кабель и генератор ультразвуковых частот.
Задачей изобретения является обеспечение эффективной эксплуатации скважин, оборудованных погружными электроцентробежными насосами при добыче жидкости с высокой концентрацией взвешенных частиц.
Технический результат - снижение влияния механической примеси на работу внутрискважинного оборудования - достигается тем, что способ снижения влияния механической примеси на работу внутрискважинного оборудования, оборудованной погружным электроцентробежным насосом, предусматривающий следующие операции: а) - установку составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов под погружным электроцентробежным насосом; б) - преобразование низкочастотного шума погружного электроцентробежного насоса в ультразвук; с) - формирование в кольцевом пространстве между обсадной колонной и составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов ультразвуковых стоячих волн; д) - создание воздействием стоячих волн ультразвука в кольцевом пространстве между обсадной колонной и составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов на процесс коагуляции частиц механической примеси с последующим осаждением их на забой скважины.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе снижения влияния механической примеси на работу внутрискважинного оборудования используют ультразвуковые колебания, преобразованные из низкочастотного шума бурового насоса. Излучателем ультразвуковых колебаний является составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов, который размещается под погружным электроцентробежным насосом.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов, размещенных под погружным электроцентробежным насосом с созданием стоячих волн, коагуляции частиц механических примесей и осаждением их на забой скважины.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "Новизна".
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что акустическая коагуляция твердых частиц в жидкости известна [2]. Однако неизвестно, что ультразвук можно создать с помощью скважины.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "Изобретательский уровень".
Основные положения физической сущности для осуществления способа.
Снижение влияния частиц механических примесей на работу внутрискважинного оборудования.
1. Наличие постоянного низкочастотного шума в скважине.
2. Источником низкочастотного шума является работа погружного электроцентробежного насоса.
3. Преобразование низкочастотного шума погружного центробежного насоса в ультразвук.
4. Преобразование низкочастотного шума в скважине осуществляется составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов, размещенных под погружным электроцентробежным насосом.
5. Формирование ультразвуковых стоячих волн в пространстве между обсадной колонной и составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов.
6. Использование явления физического процесса акустической коагуляции частиц механической примеси (фракций твердой фазы скважинной продукции) стоячей волной с последующим осаждением частиц на забой скважины.
Покажем возможность использования акустической коагуляции частиц механической примеси в скважинной продукции ультразвуковыми стоячими волнами с последующим осаждением их на забой скважины.
1. Волны и колебательная скорость.
Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид /2/.
Частным решением уравнения (1) является
где а - смещение частицы среды относительно положения покоя; А - амплитуда смещения; Ω - угловая частота; t - время.
Выражение (2) описывает плоскую гармоническую волну частоты f=ω/2π, распространяющуюся в положительном направлении оси х.
Дифференцируя (2) по t, получаем для скорости частицы среды - так называемой колебательной скорости
Следовательно, амплитуда колебательной скорости
Величина U определяет ту максимальную скорость, с которой частицы движутся в процессе колебаний.
Согласно выражению (4) скорость частицы колеблется между этой величиной и нулем.
2. Интерференция волн. Стоячие волны.
Явления, связанные с одновременным существованием в некоторой точке среды нескольких колебаний, называют интерференцией.
Явления интерференции играют важную роль в излучении звука.
Особенно важную роль играет интерференция при распространении двух одинаковых волн в противоположных направлениях. Колебания, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлениях по оси х, можно записать в виде
Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение
из которого непосредственно вытекает, что в точках Cos(2πх/λ) обращается в нуль, смещение а тождественно равно нулю; это имеет место при х, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых Cos(2πх/λ) по абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.
Выражение для колебательной скорости в стоячей волне найдем, дифференцируя выражение
Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.
3. Давление в стоячей волне.
Обратимся теперь к вопросу о распределении давления в стоячей волне. В волне, распространяющейся в направлении сил оси х, давление р пропорционально изменению смещения вдоль х, т.е. величине da/dx. Дифференцируя выражение (7) по х, получим
Таким образом, в стоячей волне и звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду в исходных бегущих волнах [2].
4. Акустическая коагуляция.
Уже давно было известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [3] в связи с работами Бьеркнесса [4]. На этом явлении основаны от части возникновение пылевых фигур в трубках Кундта.
Брандт и Фройнд [5] и Бранд и Гидеман [6] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.
Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля.
На основании этих опытов Брандт и Гидеман различают две стадии коагуляции. Вначале частицы принимают участие в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом они в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться, а затем выпадают в осадок.
5. Коагуляция частиц механической примеси в стоячей волне.
Пусть в жидкости с динамической вязкостью η, колеблющемся с амплитудой Uж и частотой f, находится частица примеси с радиусом R и плотностью ρ.
Согласно закону Стокса [2] сила трения, действующая на частицу,
где Δυ - разность скоростей частиц механической примеси и жидкости.
Согласно формуле (10) скорость частиц жидкости
Движение частицы механической примеси описывается дифференциальным уравнением
или
Общее решение этого уравнения имеет вид [2]
Непериодический член отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает уже никакого влияния.
Таким образом, амплитуда колебания частицы механической примеси равна
Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением
Отношение амплитуд ХМП/UЖ будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.
Таким образом, для степени участия частицы механической примеси в колебаниях жидкости определяющей является величина R2f.
Если принять значение ХМП/UЖ=0,8 за границу, до которой частицы механической примеси еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения
получим
Величина Z определяет степень участия частиц механической примеси в колебаниях жидкости.
Таким образом, соотношение (18) позволяет рассчитать частоты, необходимые для создания стоячих волн с целью коагуляции частиц механической примеси перед погружным электроцентробежным насосом с последующим осаждением их в осадок.
Согласно приведенным выше положениям физической сущности достигается акустическая коагуляция частиц механической примеси.
На фиг.1 изображена технологическая схема размещения составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов под погружным электроцентробежным насосом; на фиг.2 изображена схема раположения ультразвуковых стоячих волн в кольцевом пространстве между скважиной (обсадной колонной) и акустическим преобразователем шума; на фиг.3 показана схема распределения давления в ультразвуковой стоячей волне и движение частиц механической примеси от пучности к узлу; на фиг.4 показано распределение колебательной скорости в ультразвуковой стоячей волне и начало коагуляции частиц механической примеси в пучности колебательной скорости; на фиг.5 показано осаждение частиц механической примеси из пучностей колебательной скорости на забой скважины после процесса акустической коагуляции.
На фиг.1 изображено: 1 - скважина (обсадная колонна), 2 - насосно-компрессорная труба (на которой подвешен погружной электроцентробежный насос), 3 - погружной электроцентробежный насос, 4 - составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов, 5 - распространение низкочастотного шума (звука) в пространстве между скважиной (обсадной колонной) и акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов; 6 - скважинная продукция (флюид).
На фиг.2 изображено: 1 - скважина (обсадная колонна), 3 - погружной электроцентробежный насос, 4 - составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов, 5 - распространение от погружного электроцентробежного насоса низкочастотного шума (звука) в пространстве между скважиной (обсадной колонной) и акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов; 6 - скважинная продукция (флюид), 7 - колебательная скорость в ультразвуковой стоячей волне, 8 - звуковое давление в ультразвуковой стоячей волне.
На фиг.3 изображено: 1 - скважина (обсадная колонна), 4 - составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов; 6 - скважинная продукция (флюид), 8 - звуковое давление в ультразвуковой стоячей волне, 9 - частицы механической примеси, 10 - движение частиц механической примеси к узлу давления в ультразвуковой стоячей волне.
На фиг.4 изображено: 1 - скважина (обсадная колонна), 4 - составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов; 6 - скважинная продукция (флюид), 7 - колебательная скорость в ультразвуковой стоячей волне, 11 - начальная стадия коагуляции частиц механической примеси.
На фиг.5 изображено: 1 - скважина (обсадная колонна), 4 - составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов; 6 - скважинная продукция (флюид), 12 - укрупненные взвешенные частицы механической примеси после процесса акустической коагуляции, 13 - направление осаждения укрупненных частиц механической примеси на забой скважины после коагуляционного процесса.
Пример осуществления способа.
Первая операция. Встраивают составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов 4 (например, [7]) (фиг.1) под погружной электроцентробежный насос 3 (фиг.1).
Вторая операция. Опускают составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов 4 (фиг.1) вместе с погружным электроцентробежным насосом 3 на насосно-компрессорных трубах 2 (фиг.1) в скважины (обсадную трубу) 1 (фиг.1).
Третья операция. Включают погружной электроцентробежный насос 3 (фиг.1).
Четвертая операция. Создают низкочастотный спектр шума (звук) 5 погружным злектроцентробежным насосом 3 в скважине (обсадной трубе) 1 (фиг.1).
Пятая операция. Создают составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов 4 из низкочастотного шума (звука) 5, генерируемого погружным электроцентробежным насосом 3, (фиг.2) ультразвуковые стоячие волны (с колебательной скоростью 7 и звуковым давлением 8) на длине участка, равной длине составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов 4 (фиг.2).
Шестая операция. Создают движение частиц механической примеси 9 (фиг.3) в кольцевом зазоре между обсадной колонной (обсадной трубой) 1 (фиг.3) и акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов 4 (фиг.3) для их укрупнения к узлу звукового давления стоячей волны (согласно выражению (9)
Седьмая операция. Производят укрупнение частиц механической примеси 11 (фиг.4) в сгусток 12 (фиг.5) в пучности стоячей волны с колебательной скоростью (согласно выражению (8))
Восьмая операция. Производят осаждение 13 (фиг.5) коагулированных частиц 9 (фиг.3) в сгустке 12 (фиг.5) механической примеси из пучностей колебательной скорости 11 (фиг.4) стоячей волны под действием собственного веса на забой скважины.
Промысловые испытания проводились на скважине №668 куста 684 Самотлорского месторождения. Содержание механической примеси в добываемой продукции снизилось в 3,4 раза.
Промысловые испытания проведены на скважине №668 куста 684 цеха №7 Самотлорского месторождения, содержание мехпримесей в добываемой продукции снизилось в 3,4 раза.
Источник информации
1. Справочник по добыче нефти / Под ред. И.М.Муравьева. - М.: Гостоптехиздат, 1959. Т.2. - С.238-241.
2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.23-25, 489-491, 495-497 [ПРОТОТИП].
3. König W., Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d. Phys. (3), 42, 353, 549 (1891).
4. Bjerknes C.A. Remarques historiques sur la theori du mouvement d'un ou de plusieurs corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur les forces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s'y rattachent, Compt. Rent., 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867).
5. Brandt., Über das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall - und Ultraschallfrequenzen, Kolloid/ Zs., 76, 272 (1936).
6. Brandt O., Hiedenmann E., Über das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936).
7. Патент RU 2109134, кл. E 21 В 43/25.
Способ снижения влияния механической примеси на работу внутрискважинного оборудования, оборудованного погружным электроцентробежным насосом, предусматривающий следующие операции: а) установку составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов под погружным электроцентробежным насосом; б) преобразование низкочастотного шума погружного электроцентробежного насоса в ультразвук; с) формирование в кольцевом пространстве между обсадной колонной и составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов ультразвуковых стоячих волн; д) создание воздействием стоячих волн ультразвука в кольцевом пространстве между обсадной колонной и составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов на процесс коагуляции частиц механической примеси с последующим осаждением их на забой скважины.
