Устройство гидрокавитационной обработки продуктивных пластов и фильтров

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для очистки фильтров скважин, поверхностей трубопроводов, а также различных сооружений и агрегатов. Устройство включает высоконапорный насос, подводящую магистраль, расположенный в корпусе возбудитель кавитации, состоящий из диффузора и конфузора, связанных между собой соединительным элементом, виброрезонатор, размещенный в полости соединительного элемента, представляющей собой расширительную камеру. Возбудитель кавитации установлен с возможностью осевого перемещения. Соединительный элемент выполнен в виде тела вращения, диаметр которого больше диаметра наименьшего проходного отверстия диффузора. Повышается эффективность обработки продуктивных пластов и фильтров. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области энергосберегающих технологий и может быть использовано для очистки различных поверхностей, фильтров скважин, трубопроводов и других сооружений и агрегатов.

Известны гидродинамические возбудители колебаний (Патенты РФ №2015749, МПК В 06 В 1/20, 1994 г., №2121568, 1998 г.), реализующие наиболее эффективные и экологически чистые методы обработки поверхностей высоконапорными струями рабочего агента путем возбуждения акустических колебательных процессов кавитационного происхождения в нагнетаемом струйном потоке рабочего агента. Однако известные устройства сложны в изготовлении и обладают небольшой производительностью. При этом, как правило, для получения максимально резонансного режима работы известного устройства требуются сложные предварительные расчеты соотношений между геометрическими размерами элементов, расходом рабочего агента и сечением выходного устройства, основанные на предварительном определении давлений рабочего агента и жидкости в полости подводящего трубопровода, а потому известные устройства не находят широкого применения в практике, в частности для обработки поверхностей в затопленных пространствах.

Наиболее близким к описываемому изобретению является устройство для гидрокавитационной обработки продуктивных пластов и фильтров скважин (Патент РФ №2211320, МПК Е 21 В 43/25, оп. 2004 г.), включающее соединенный с высоконапорным насосом возбудитель кавитации, состоящий из диффузора и конфузора, связанных между собой соединительным элементом.

Известное устройство имеет сложную металлоемкую конструкцию, включающую дополнительный насос, что снижает надежность этого устройства и требует использования энерготехнологического оборудования высокой мощности, а потому связано со значительными энергозатратами. При этом известное устройство также предполагает проведение предварительных расчетов, которые требуют большого количества времени и трудозатрат, а полученные данные во многом зависят от точности замеров давления в затрубном пространстве. Неточность таких измерений может привести неправильному выбору величины расхода рабочего агента и сечения выходного устройства, а следовательно, к необъективному определению коэффициента кавитации, что приводит к ошибкам в выборе режима воздействия на обрабатываемую поверхность и снижению эффективности ее обработки.

Таким образом, технический результат от использования настоящего изобретения заключается в повышении эффективности обработки продуктивных пластов и фильтров скважин за счет обеспечения регулирования и достижения максимальной степени развития кавитации без использования дополнительного энергоемкого оборудования.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для гидрокавитационной обработки продуктивных пластов и фильтров скважин, включающее высоконапорный насос, подводящую магистраль и возбудитель кавитации, состоящий из диффузора и конфузора, связанных между собой соединительным элементом, содержит корпус, в котором расположен возбудитель кавитации, а также виброрезонатор, размещенный в полости соединительного элемента, при этом последний является расширительной камерой и выполнен в виде тела вращения, диаметр которого выбирают больше диаметра наименьшего проходного сечения диффузора, а возбудитель кавитации выполнен с возможностью осевого перемещения в корпусе.

Предпочтительно, чтобы диаметр соединительного элемента составлял 18-20 диаметра наименьшего проходного сечения диффузора.

При этом виброрезонатор может быть выполнен в виде гибкой пластины с отверстием и установлен с возможностью свободного перемещения в расширителе вдоль оси возбудителя кавитации.

Целесообразно возбудитель кавитации выполнить сменным.

Предпочтительно возбудитель кавитации выполнить с успокоителем потока рабочего агента, установленным в корпусе с возможностью осевого перемещения.

Успокоитель потока рабочего агента может быть выполнен в виде камеры с выходным конфузором, в полости которой размещены три трубки, две из которых имеют общий входной канал, соединенный с выходным патрубком насоса, а третья трубка размещена между первыми двумя и соединена выходным концом с входным отверстием выходного конфузора успокоителя, выходное отверстие которого сопряжено с входным отверстием диффузора возбудителя кавитации.

При этом устройство может быть снабжено наконечником, содержащим рассекатель и не менее двух выходных сопловых насадок.

Целесообразно сопловые насадки выполнить в виде дополнительных возбудителей кавитации.

Степень развития кавитации в струйном потоке рабочего агента зависит от множества факторов, оказывающих влияние на интенсивность схлопывания газопаровых пузырьков. Изменяя некоторые факторы, можно управлять интенсивностью кавитационного процесса. Экспериментально доказано, что частота и амплитуда динамических колебаний, создаваемых возбудителем кавитации в потоке рабочего агента, зависят от величины давления жидкости на входе в возбудитель кавитации и противодавления в затопленной полости устройства, а также от расстояния между выходным срезом возбудителя кавитации и поверхностью воздействия. Кроме того, на частоту и амплитуду полученного колебательного процесса влияют и параметры возбудителя кавитации и, прежде всего, величина наименьшего проходного сечения его диффузора. Пи этом интенсивность влияния гидродинамического воздействия на обрабатываемую поверхность может быть увеличена путем создания дополнительного волнового возмущения, например, посредством виброрезонатора.

Устройство для гидрокавитационной обработки продуктивных пластов и фильтров согласно описываемому изобретению реализует эти возможности.

Описываемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для гидрокавитационной обработки продуктивных пластов и фильтров, на фиг.2 изображена мгновенная фотография суперкавитационной каверны потока рабочего агента, истекающего из возбудителя кавитации, на фиг.3 показан график существования границы зоны суперкавитационной каверны, на фиг.4 и на фиг.5 приведены графики изменения относительных значений, соответственно частоты и амплитуды колебаний струйного потока, в зависимости от значения коэффициента кавитации для различных значений расстояния от выхода возбудителя кавитации до обрабатываемой поверхности относительно меньшего диаметра проходного сечения возбудителя кавитации.

В торце корпуса 1 размещена пробка 2 с центральным отверстием, в котором установлен, например, при помощи резьбового соединения успокоитель 3, выполненный с возможностью осевого перемещения. Выходной канал успокоителя 3 в виде конфузора 4 сопряжен с входным диффузором 5 возбудителя кавитации 6, жестко укрепленным на выходе успокоителя 3. Проходная полость возбудителя кавитации 6 содержит входной диффузор 5 и выходной конфузор 7, зауженные части которых сопряжены с соединительным элементом 8, выполненным в виде расширительной камеры, представляющей собой тело вращения. По центру расширительной камеры 8 установлен виброрезонатор 9, представляющий собой гибкую металлическую пластину с центральным отверстием и выполненный с возможностью свободного перемещения вдоль продольной оси возбудителя кавитации 6.

Оптимально диаметр сечения расширительной камеры 8 выбирают в 18-20 раз больше диаметров меньшего сечения диффузора 5.

Успокоитель 3 предназначен для снижения завихренностей в потоке рабочего агента, поступающего под давлением от высоконапорного насоса (на чертеже не показано) и выполнен в виде размещенных в корпусе 10 трех трубок, из которых две трубки 11 и 12 входные имеют общий участок, подсоединенный к подающей магистрали 13, связанной с высоконапорным насосом, а трубка 14 выходная размещена между трубками 12 и соединена с выходным конфузором 4 успокоителя 3.

К выходному торцу корпуса 1 подсоединен с возможностью осевого перемещения наконечник 15, состоящий из рассекателя 16 и нескольких сопловых насадок 17, которые могут быть выполнены также в виде дополнительных возбудителей кавитации.

Для описания работы описываемого устройства может быть использован пример применения его для раскальматизации гидрогеологической скважины, восстановления ее дебита путем воздействия периодически срывных колебаний гидродинамического давления жидкости на продуктивный пласт.

Описываемое устройство работает следующим образом.

Устройство для гидрокавитационной обработки продуктивных пластов и фильтров помещают в область проведения работ, например, в затопленное пространство подлежащей очистке гидрогеологической скважины. Для этого устройство укрепляют на выходном патрубке подающей магистрали 15, в качестве которой может быть использован шланг, и доставляют в оптимальное место для проведения очистки, например водят в обсадную трубу гидрогеоогической скважины.

Предварительно измеряют давление на выходе насоса и определяют рабочий диапазон глубины скважины, которые являются исходными параметрами для настройки возбудителя кавитации на максимальную степень кавитации и воздействия кавитации на обрабатываемую поверхность в виде колебаний гидродинамического давления в струйном потоке.

Рабочий агент от высоконапорного насоса под давлением через подающую магистраль 13 направляют во входные трубки 11 и 12 успокоителя 3, после чего рабочий агент поступает в трубку 14, по которой успокоенный поток подают на вход диффузора 5 возбудителя кавитации 6. Проходя через сужающуюся коническую часть диффузора 5, поток резко сжимается, увеличивая скоростную (динамическую) составляющую. Затем поток попадает в расширительную камеру 8, в которой статическое давление в потоке падает ниже давления насыщенных паров, в результате чего в потоке начинают интенсивно зарождаться газопаровые пузырьки. Проходя через расширительную камеру 8, пузырьки резко увеличиваются в объеме, образуя облако, состоящее из газопаровых пузырьков, которое переносится потоком в конфузор 7, где идет их одновременный рост и частичное схлопывание. Таким образом, на выходе конфузора 7 образуется суперкавитационная каверна в виде зоны скопления газопаровых пузырьков.

Вид суперкавитационной каверны отображен на мгновенной фотографии (фиг.2).

Попадая в область повышенного статического давления, газопаровые пузырьки охлопывают в виде образования микродинамических ударов в микрообъемах струйного потока. Интенсивность этого процесса обуславливает эффективность воздействия на обрабатываемую поверхность.

Успокоитель 3 перемещают вдоль оси устройства, устанавливая выбранное расстояние от среза конфузора 7 до рассекателя 8 потока, и таким образом производят регулировку и настройку возбудителя кавитации 6 на рабочий диапазон частот колебания гидродинамического давления в струйных потоках, истекающих из выходных сопловых насадок.

Это расстояние можно изменять также перемещая в осевом направлении наконечник с рассекателем 16 и выходными соплами 17.

Виброрезонатор 9 свободно перемещается, плавая в расширительной камере 8, и оказывает механическое воздействие на проходящий струйный поток рабочего агента, дополнительно возбуждая в нем механические колебания гидродинамического давления низкой частоты в пределах от 10 Гц до 1000 Гц. Возбуждаемое виброрезонатором 9 дополнительное волновое возмущение передается через поток рабочего агента в полость корпуса 1 и далее через выходные сопловые насадки 17 в продуктивный пласт.

Истекающий из конфузора 7 возбудителя кавитации 6 импульсный акустический струйный поток посредством рассекателя 16 направляют в сопловые насадки 17. Полученные таким образом суперкавитационные потоки воздействуют на продуктивные пласты и фильтры скважины путем расшатывания слоев залегания продукта в широком частотно-импульсном диапазоне колебаний гидродинамических давлений, передаваемых через затопленное пространство от струйных потоков к отверстиям в фильтрах, очищая их, а затем, продолжая интенсивно воздействовать на залегающие слои продукта.

Все элементы устройства соединены резьбовой связью, что позволяет оперативно производить замену элементов и, прежде всего возбудителя кавитации, осуществляя возможность регулирования характеристик струйного потока путем подбора возбудителя кавитации с необходимыми геометрическими параметрами, например по диаметру меньшего проходного отверстия его диффузора.

На фиг.3 представлен график существования границы зоны суперкавитационной каверны, которую можно определить по формуле

где ; χ=Р_к/Р₀

χ - коэффициент кавитации;

l - длина видимой зоны кавитации, м;

d₀ - диаметр сопловой насадки, м;

Р_k - давление в затопленной полости вокруг струи, МПа;

P₀ - давление на входе в сопловой насадок, МПа.

Экспериментально получены зависимости амплитуды и частоты колебаний для колебаний гидродинамического давления струйного потока для различных значений коэффициента кавитации χ, по которым, подбирая параметры устройства и режимы его работы, определяют оптимальный режим воздействия струйным кавитационным потоком на обрабатываемую поверхность с наибольшей степенью эффективности.

Графики выявленных зависимостей, представленные на фиг.4 и фиг.5, иллюстрируют изменение величины относительных значений, соответственно частоты и амплитуды динамических колебаний струйного потока для различных значений коэффициента кавитации χ. С учетом того, что коэффициент кавитации по определению равен соотношению величин давления жидкости на входе в возбудитель кавитации (Р₀) и давления жидкости в затопленной полости вокруг струи вне зоны кавитации (Р_к) (χ=P_k/P₀), изменяя эти параметры, можно регулировать интенсивность схлопывания газопаровых пузырьков и тем самым сдвигать в ту или иную сторону диапазон высокочастотных и амплитудных составляющих колебаний гидродинамических давлений микроструктур в струйном потоке, а также изменять низкочастотную составляющую колебаний всего струйного потока, истекающего из сопловых насадок в затопленное пространство.

Опыты показали также, что по сечению струйного потока относительная частота и амплитуда колебаний гидродинамических давлений изменяется вдоль оси струйного потока в зависимости от относительного расстояния от среза сопловой насадки до точки замера (поверхности воздействия). На представленных графиках изображены зависимости для различных значений расстояния от среза возбудителя до поверхности воздействия (или рассекателя) характеристик колебаний гидродинамических давлений относительно наименьшего проходного сечения возбудителя кавитации. Графики с номерами 1 - 6 представляют собой зависимости для l/d₀, равным соответственно 10, 20, 30,40, 50 и 60.

Таким образом, устройство гидрокавитационной обработки продуктивных пластов и фильтров согласно настоящему изобретению позволяет регулировать интенсивность воздействия на обрабатываемую поверхность струйным потоком посредством влияния на амплитудные и частотные характеристики колебаний гидродинамических давлений в широком спектре частот, достигать максимальной степени развития кавитации и тем самым повышать эффективность обработки продуктивных пластов и фильтров скважин, снижать гидравлические сопротивления в затопленном пространстве.

1. Устройство для гидрокавитационной обработки продуктивных пластов и фильтров, включающее высоконапорный насос, подводящую магистраль и возбудитель кавитации, состоящий из диффузора и конфузора, связанных между собой соединительным элементом, отличающееся тем, что оно снабжено корпусом, в котором расположен возбудитель кавитации, и виброрезонатором, размещенным в полости соединительного элемента, представляющей собой расширительную камеру, выполненного в виде тела вращения, диаметр которого выбирают больше диаметра наименьшего проходного отверстия диффузора, при этом возбудитель кавитации установлен в корпусе с возможностью осевого перемещения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр соединительного элемента в 18-20 раз превышает диаметр наименьшего проходного отверстия диффузора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что возбудитель кавитации выполнен сменным.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что виброрезонатор выполнен в виде гибкой пластины с отверстием и установлен с возможностью свободного перемещения в расширительной камере вдоль оси возбудителя.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что возбудитель кавитации на входе снабжен успокоителем потока рабочего агента, установленным в корпусе с возможностью осевого перемещения.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что успокоитель потока рабочего агента выполнен в виде камеры с выходным конфузором, в полости которой размещены три трубки, две из которых имеют общий входной канал, соединенный с выходным патрубком насоса, а третья трубка размещена между первыми двумя и соединена выходным концом с входным отверстием выходного конфузора успокоителя, выходное отверстие которого сопряжено с входным отверстием диффузора возбудителя кавитации.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено наконечником, содержащим рассекатель и не менее двух выходных сопловых насадок.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что сопловые насадки выполнены в виде дополнительных возбудителей кавитации.