ЭЛЕКТРОДНАЯ СИСТЕМА СКВАЖИННОГО ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
ELECTRODE SYSTEM OF WELL ELECTRIC HYDRAULIC DEVICE

Изобретение относится к электроразрядным испытательным системам и может быть использовано для исследований электрического пробоя и сейсмоакустических эффектов в химических реагентах и смесях, используемых для повышения нефтеотдачи пластов, но токсичных и пожароопасных при применении на земле.
Известен полуавтоматический высоковольтный автомат 16-0915 для испытаний проб электроизоляционных масел немецкой фирмы Petrotest Instruments Gmbn & Со (см. каталог «Лабораторное оборудование для контроля качества нефтепродуктов», вып.10, Petrotest, 1966, с.18), содержащий повышающий трансформатор, схему управления, автоматический регулятор напряжения, испытательную ячейку и индикатор. Пробу изоляционного масла наливают в испытательную ячейку и на электроды с расстоянием между ними 2,5 мм автоматически подают переменное (частотой 50 Гц) напряжение с нарастающей (до 50-70 кВ) амплитудой напряжения. На индикаторе в момент пробоя масла фиксируется величина пробивного напряжения масла.
Недостатки высоковольтного автомата 16-0915 - ограниченная стандартными электроизоляционными (трансформаторным и конденсаторным) маслами и промышленной частотой область применения. Импульсную электрическую прочность масел этот аппарат не определяет. Кроме того, токсичные и пожароопасные жидкости типа растворителей и химических реагентов в испытательную ячейку не заливаются по требованиям безопасности.
Известны также закрытые электроразрядные камеры установок электрогидравлического удара (см. книгу: В.П.Севастьянов, С.А.Ракитин. Экстремальные физические воздействия в технологии производства изделий знакосинтезирующей электроники. Саратов, СГАП, 1999, с.87-88, рис.4.11, б), состоящие из толстостенного стакана из нержавеющей стали (наружный диаметр 72 мм, толщина стенки 8 мм) и крышки из эбонита, в которой установлен высоковольтный электрод. Дно стакана выполняет роль второго заземленного электрода. Внутрь камеры заливаются исследуемые жидкости и суспензии. Высоковольтный электрод изготавливается из тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, титана) или их сплавов. Малые размеры камеры, ее высокая прочность и закрытость делают ее удобной для исследования в лабораторных условиях электрического пробоя в токсичных или пожароопасных химических реагентах и смесях.
Недостаток закрытой электроразрядной камеры - невозможность регулирования в процессе исследований без вскрытия камеры и контакта с токсической жидкостью рабочего зазора между высоковольтным электродом и дном камеры и, соответственно, трудность регулирования эффективности электрогидравлического удара и степени разложения токсической жидкости.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является электродная система скважинного электрогидравлического устройства (см. патент РФ №2317413, МПК E21B 43/24, авторы А.Я.Картелев и А.А.Сидоров, опубл. 20.02.2008, бюл. №5), содержащая положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, токоподвод к положительному электроду, при этом отрицательный электрод соединен с дном корпуса и имеет продолжение - резьбовой хвостовик, с помощью которого отрицательный электрод ввинчивается в дно корпуса или вывинчивается из него, и тем самым регулируется расстояние между положительным и отрицательным электродами, положительный электрод выполнен в форме массивного конуса, конус направлен вершиной к отрицательному электроду, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода и токоподвод к нему нанесено изолирующее покрытие, корпус выполнен с возможностью упора в него основания конуса положительного электрода.
Недостатками вышеуказанной электродной системы-прототипа являются:
- сообщаемость ее внутреннего рабочего объема с окружающей средой через окна в корпусе, вследствие чего в электродную систему нельзя залить образец скважинной жидкости или химреагента (электродную систему можно настраивать, только погружая в специальный резервуар с жидкостью или скважину);
- на определение пробивного напряжения скважинной жидкости или химреагента и оптимального зазора в электродной системе уходит много времени (может быть несколько перестроек электродной системы и аппарата в целом). Это связано с тем, что скважинная жидкость на каждой нефтяной скважине имеет свой минеральный состав солей, свою степень обводненности и определенное удельное электрическое сопротивление. Соответственно, на каждой скважине необходимо иметь определенный объем скважинной жидкости или химреагента и резервуар для их хранения. В этот резервуар необходимо погрузить электродную систему скважинного электрогидравлического аппарата, включить аппарат и измерить параметры электрического разряда и ударной волны. При их недостаточности или неоптимальности необходимо извлечь аппарат из резервуара, изменить межэлектродный промежуток в электродной системе или напряжение срабатывания коммутатора, вновь погрузить аппарат в скважинную жидкость или химреагент и провести повторно измерения параметров электрического разряда и ударной волны;
- определение пробивного напряжения скважинной жидкости или химреагента с помощью электродной системы-прототипа в открытых резервуарах и, особенно, вблизи скважин запрещено правилами взрывобезопасности и небезопасно для обслуживающего аппарат персонала, так как оно происходит в атмосфере испаряющихся нефтепродуктов и различного рода токсичных химреагентов (это углеводородные ароматические растворители, углеводородно-кислотные эмульсии или растворы кислот и т.п.) и, кроме того, представляет экологическую опасность для окружающей среды (возможны разливы химреагента на землю).
Задача настоящего изобретения - создание специальной электродной системы:
а) в которую можно было бы в лабораторных или полевых условиях заливать химические реагенты и смеси, использующиеся для повышения нефтеотдачи пластов, но токсичные или пожароопасные по своим свойствам;
б) в которой можно было бы проводить исследования электрического пробоя и электроакустических эффектов, причем быстро и безопасно для персонала;
в) которую можно было бы после вышеуказанных исследований (при установленных оптимальных параметрах разрядного тока и ударной волны) использовать без перестроек для работ в скважине в составе скважинного электрогидравлического аппарата.
Техническим результатом изобретения является повышение безопасности и уменьшение трудозатрат на определение оптимальных уровней пробивного напряжения и энерговыделения в электродной системе, а также повышение производительности скважинного электрогидравлического устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной электродной системой, содержащей положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, при этом положительный электрод изолирован от корпуса, а отрицательный электрод соединен с дном корпуса и имеет возможность перемещения относительно положительного электрода, новым является то, что дополнительно введен съемный металлический кожух, выполненный в виде стакана и установленный коаксиально корпусу электродной системы, при этом верхняя часть кожуха закреплена на корпусе электродной системы герметично, а в дне кожуха выполнены два отверстия, одно из которых заглушено пробкой и служит для заливки внутрь кожуха и электродной системы скважинной жидкости или химреагента, а во втором отверстии установлен торцовый ключ с сальниковым уплотнением, выполненный с возможностью механического соединения с отрицательным электродом и служащий для регулирования зазора между положительным и отрицательным электродами.
Кроме того, внутренний диаметр кожуха равен внутреннему диаметру обсадной колонны.
Введение в устройство съемного металлического кожуха, выполненного в виде стакана, установленного коаксиально электродной системе и закрепленного верхней частью на корпусе электродной системы герметично, позволяет использовать металлический кожух в качестве закрытого резервуара для скважинной жидкости или токсичного химреагента и тем самым:
а) за счет высокой механической прочности кожуха проводить как экспресс-, так и длительные исследования электрического пробоя в токсичных или пожароопасных жидкостях без риска разрыва кожуха ударной волной электрического разряда в жидкости, без опасного влияния на обслуживающий персонал и без разливов и испарения химреагента в окружающую среду;
б) за счет малой деформации (малых колебаний стенки) металлического кожуха при электрогидравлическом ударе снизить уровень акустического удара при разряде в жидкости (персоналу можно проводить исследования без наушников);
- использовать штатную электродную систему скважинного электрогидравлического аппарата в двух номинациях: для наземных экспресс-исследований электрического пробоя и электроакустических эффектов и для работы по очистке призабойной зоны непосредственно в скважине.
Выполнение в дне кожуха двух отверстий, одно из которых заглушено пробкой, или в нем установлен вентиль, и через которое внутрь кожуха и электродной системы заливается скважинная жидкость или химреагент, в во втором отверстии установлен торцовый ключ с сальниковым уплотнением, выполненный с возможностью механического соединения с отрицательным электродом и служащий для регулирования зазора между положительным и отрицательным электродами, обеспечивает:
- доставку (заливку) скважинной жидкости или химреагента в межэлектродный промежуток электродной системы аппарата;
- быструю (без вскрытия камеры, простым поворотом торцового ключа) регулировку рабочего зазора между положительным и отрицательным электродами камеры и пробивного напряжения скважинной жидкости или химреагента, минимизацию потерь электрической энергии на предпробивные процессы в скважинной жидкости или химреагенте и обеспечение максимальной силы электрогидравлического удара.
Выполнение кожуха с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру обсадной колонны, обеспечивает соблюдение условий по насыщению межэлектродного промежутка электродной системы электронами как в реальной обсадной колонне и, соответственно, сохраняет условия развития и параметры электрического разряда в электродной системе такими же, как в скважине, обсаженной металлическими трубами. Как показали эксперименты, в электродной системе со съемным металлическим кожухом время запаздывания пробоя меньше, а амплитуды тока разряда и ударной волны больше.
Т.е. отличительные признаки предлагаемой электродной системы делают ее не только безопасной, но и привлекательной для экспресс-оценки в полевых условиях (непосредственно на скважине и особенно зимой) пробивного напряжения химических реагентов и смесей, использующихся для повышения нефтеотдачи пластов. Кроме того, на основе этой экспресс-оценки пробивного напряжения скважинной жидкости или химреагента можно отрегулировать напряжение пробоя коммутатора и рабочий зазор в электродной системе скважинного электрогидравлического аппарата и оптимизировать режим работы аппарата (амплитуду и частоту повторения электрогидравлических ударов) и, соответственно, режим очистки призабойной зоны нефтяной скважины от солевых, асфальтено-смолистых и парафиновых отложений.
Электродных систем с указанными отличительными признаками в патентной и научно-технической литературе не обнаружено, что свидетельствует о новизне и изобретательском уровне настоящей заявки на изобретение.
На фиг.1 изображена в разрезе заявляемая электродная система.
Заявляемая электродная система содержит штатную электродную систему 1 от скважинного электрогидравлического устройства и съемный металлический кожух 2.
Штатная электродная система 1 выполнена по патенту РФ №2317413, МПК E21B 43/24, авторы А.Я.Картелев и А.А.Сидоров, опубл. 20.02.2008, бюл. №5) и содержит положительный электрод 3 и отрицательный электрод 4, установленные соосно друг против друга в трубчатом металлическом корпусе 5 с продольными окнами - прорезями 6, расположенными напротив межэлектродного промежутка. Указанные окна служат для сообщения электродной системы со скважинной жидкостью и выхода (высокоскоростного выброса) скважинной жидкости на стенку обсадной колонны при электрическом разряде.
Положительный электрод 3 выполнен в виде массивного конуса и имеет в вершине конуса отверстие для крепления эрозионно-стойкого наконечника 7. Конус положительного электрода 3 направлен вершиной к отрицательному электроду 4 и имеет поперечные размеры и массу, превышающие в несколько раз аналогичные параметры центрального токоподвода. Поверхность положительного электрода 3 покрыта слоем изоляции 8 как со стороны боковой поверхности, так и со стороны основания конуса. В качестве изолирующего покрытия использован полипропилен или резина.
Отрицательный электрод 4 выполнен в виде металлического стержня с наружной резьбой, благодаря которой отрицательный электрод 4 может ввинчиваться в дно корпуса 5 или вывинчиваться из него. Тем самым регулируется расстояние между положительным 3 и отрицательным 4 электродами. На нижнем конце отрицательного электрода 4 выполнено глухое квадратное отверстие для установки в него, например, торцового ключа.
Корпус 5 электродной системы прикручивается к массивному металлическому фланцу 9, являющемуся продолжением корпуса коммутатора скважинного электрогидравлического аппарата. В торец фланца 9 упирается своим изолированным основанием положительный электрод 3. Диаметр корпуса 5 электродной системы 102 мм, длина 400 мм. К корпусу 5 электродной системы прикреплено через специальные съемные шпонки или сухари (на фиг.1 не показаны) металлическое кольцо 10 с несколькими отверстиями по периметру.
Съемный кожух 2 выполнен в виде металлического стакана и установлен снаружи и коаксиально корпусу 5 электродной системы 1. Верхняя часть кожуха 2 имеет утолщение - фланец с несколькими резьбовыми отверстиями по периметру, предназначенными для установки крепежных болтов 11. На внутренней поверхности верхнего фланца кожуха 2 выполнена проточка для установки резинового уплотнения 12. Верхняя часть кожуха 2 с помощью болтов 11 прикрепляется к металлическому кольцу 10 и, соответственно, к корпусу 5 электродной системы 1. При подтягивании болтов 11 одновременно поджимается кольцевое резиновое уплотнение 12, и съемный кожух 2 герметизируется относительно корпуса 5 электродной системы.
В дне кожуха 2 выполнены два отверстия, в которые вварены металлические штуцеры 13 и 14. Один из штуцеров 13 заглушен пробкой 15 или на нем установлен вентиль, и через этот штуцер внутрь кожуха 2 и электродной системы 1 заливается исследуемый химреагент или скважинная жидкость 16. В отверстии второго штуцера 14 установлен торцовый ключ 17, снабженный на нижнем конце рукояткой 18, на верхнем конце имеющий квадратное сечение и механически соединенный верхним концом с отрицательным электродом 4. Торцовый ключ 17 герметизируется в штуцере 14 с помощью поджимной втулки 19 с сальником. Поворотом рукоятки 18 через торцовый ключ 17 осуществляется вращение отрицательного электрода 4 и регулируется зазор между положительным 3 и отрицательным 4 электродами электродной системы 1.
Работа с заявляемой электродной системой осуществляется в следующей последовательности. Вначале в электродной системе 1 устанавливается начальный рабочий зазор между положительным 3 и отрицательным 4 электродами, равный, например, 20 мм. Затем электродная система 1 переворачивается вверх дном, и на корпусе 5 электродной системы 1 устанавливаются металлическое кольцо 10 и резиновое уплотнение 12. Далее на электродную систему 1 надевается металлический кожух 2, который с помощью болтов 11 подтягивается к металлическому кольцу 12 и к корпусу 5 электродной системы и герметизируется относительно последнего. После этого через отверстие в штуцере 13 в камеру заливается исследуемый химреагент или скважинная жидкость 16. После заполнения камеры жидкостью штуцер 13 закрывается пробкой 15, а торцовый ключ 17 устанавливается в отверстие штуцера 14, подается вниз до соединения его с отрицательным электродом 4 и герметизируется (зажимается) поджимной втулкой 19 с сальником. Заполненная химреагентом или скважинной жидкостью электродная система 1 с кожухом 2 переворачивается обратно, вниз дном, и электродная система 1 стыкуется (привинчивается) к коммутатору скважинного электрогидравлического аппарата. Скважинный электрогидравлический аппарат предварительно подвешивается на кране или устанавливается на треноге. Затем скважинный электрогидравлический аппарат подключается через штатный геофизический кабель или через специальный короткий кабель к наземному пульту питания и управления, и в электродной системе 1 осуществляется серия из 5-10 электрических разрядов. При этом измеряются параметры выходного напряжения аппарата и тока разряда в электродной системе и исследуемом химреагенте или скважинной жидкости. Если, например, время запаздывания разряда велико или амплитуда тока разряда мала, то поворотом торцового ключа 17 на днище кожуха 2 уменьшают зазор между положительным 3 и отрицательным 4 электродами. После этого повторно включают аппарат и осуществляют новую серию разрядов и новую серию измерений. По результатам измерений параметров напряжения и тока в электродной системе 1 при различных зазорах между положительным и отрицательным электродами определяют оптимальный зазор между электродами электродной системы для исследуемого типа химреагента или скважинной жидкости и их пробивное напряжение. Далее выкручивают пробку 15 и сливают химреагент или скважинную жидкость из кожуха 2 электродной системы, снимают металлический кожух 2 и металлическое кольцо 12 с электродной системы 1 и окончательно готовят электродную систему и скважинный электрогидравлический аппарат к спуску в нефтяную скважину и к работе по очистке призабойной зоны скважины от солевых, асфальтено-смолистых и парафиновых отложений.
Автор изготовил и испытал опытный образец предлагаемой электродной системы на наземном электрическом стенде и в полевых условиях при подготовке скважинного электрогидравлического аппарата «ЭРА-1» к работе в нефтяных скважинах НГДУ «Джалильнефть» ОАО «Татнефть».
Предлагаемая электродная система позволила в полевых условиях НГДУ «Джалильнефть» быстро и безопасно для персонала и для окружающей среды (без разливов в землю), а также без нарушения условий взрывобезопасности на скважине провести экспресс-анализ на электрический пробой двух типов скважинных жидкостей: сырой нефти и дисциллята с добавкой катионного ПАВ, оптимизировать рабочий зазор в электродной системе скважинного электрогидравлического аппарата «ЭРА-1» и осуществить эффективную очистку призабойной зоны пяти нефтяных скважин от солевых, асфальто-смолистых и парафиновых отложений. Дебит нефтяных скважин вырос при этом на 151-196%.