ВНУТРИСКВАЖИННЫЙ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам, генерирующим мощную акустическую энергию направленного излучения и модулированных волн давления при обработке призабойной зоны пласта добывающих и нагнетательных скважин интенсифицирующими составами.
Известно устройство гидромеханического осциллятора на основе резонатора Гельмгольца (Интервал №1 (36) 2002 г. Статья «Гидромеханический осциллятор как устройство для возбуждения колебаний давления в потоке жидкости, нагнетаемой в пласт». С. 67-69). Устройство состоит из резонансной камеры Гельмгольца цилиндрического типа и установленных по оси, на входе и выходе камеры, сопл. Механизм самовозбуждения колебаний заключается в следующем. Круглая струя жидкости из сопла на входе движется через осесимметричную полость камеры Гельмгольца и затем выходит в окружающую среду через выходное сопло. Диаметр полости камеры много больше диаметра струи и, вследствие этого, скорость в полости много ниже, чем в струе. Это ведет к сильным сдвиговым смещениям на границе раздела между двумя потоками. Сдвиговое течение реализуется в вихрях. При круглой струе вихревые линии принимают форму окружностей (колец). Соударение упорядоченных осесимметричных возмущений, таких как вихревые кольца, в сдвиговом слое, с кромкой выходного сопла генерирует периодические импульсы давления.
Недостатком этого устройства является то, что при колебаниях с большой амплитудой сплошность жидкости разрывается и в ней появляются кавитационные пузырьки, обусловленные качественным изменением колебательного процесса в жидкости. В условиях развитой кавитации происходит процесс периодического распространения гидродинамического разрыва в виде фронта волны схлопывающихся пузырьков, приводящих к кавитационному разрушению материала отверстия выходного сопла. Тем самым не обеспечивается возможность длительной эксплуатации его при технологии совмещенного воздействия на пласт.
Известен скважинный гидроакустический генератор (RU 2186961 С1, кл.7 Е21 43/25, 2002.08.10), содержащий корпус, вихревую камеру с тангенциальными каналами, камеру предварительного закручивания потока с тангенциальными каналами. Тангенциальные каналы вихревой камеры и камеры предварительного закручивания потока имеют одинаковое вращательное направление. Гидроакустический генератор выполнен с возможностью секционирования и регулирования направленности излучения. Однако в известном генераторе вследствие содержания дополнительной камеры закручивания потока увеличиваются гидравлические сопротивления, что приводит к снижению коэффициента полезного действия устройства.
Наиболее близким по технической сущности, взятыми авторами за прототип является скважинный гидроакустический монитор (патент на полезную модель RU №172006 U1, опубл. 26.06.2017 бюл. №18), содержащий корпус, вихревую камеру, выполненную в виде прямоточного цилиндра и в виде двух цилиндрических изолированных полостей с острыми входящими отверстиями, диаметр которых меньше, чем диаметр выходящих отверстий, с входными тангенциальными каналами, расположенную перпендикулярно движению основного потока, сопел и узла регулирования напорных характеристик.
Одним из существенных недостатков применяемого устройства является невозможность создания высокой скорости потока интенсифицирующих составов и низкая механическая стойкость оборудования по отношению к высокоскоростному потоку раствору кислот и высокому содержанию сероводорода на забое скважины.
Техническим результатом является повышение эффективности воздействия на призабойную зону пласта скважины, за счет использования гидромеханического осциллятора с повышенной стойкостью к механическому износу, коррозии и сульфидному растрескиванию, позволяющего создавать высокие скорости истечения жидкости, периодические импульсы давления и гидроволновое воздействие.
Технический результат достигается тем, что внутрискважинный гидромеханический осциллятор содержит корпус с вихревыми камерами, расположенными перпендикулярно движению основного потока с входными тангенциальными каналами, выполненными в виде прямоточного цилиндра и в виде двух цилиндрических изолированных полостей с входящими отверстиями, диаметр которых меньше, чем диаметр выходящих отверстий, с выходными каналами в виде сопел соосно расположенными и гидравлически связанных с вихревой камерой, узла регулирования напорных характеристик, дополнительно содержит секцию в которой вихревая камера, расположенная перпендикулярно движению основного потока с входными тангенциальными каналами и с выходными каналами в виде сопел соосно расположенными и гидравлически связанными с вихревой камерой, выполнена в виде струйной форсунки с двумя не изолированными цилиндрическими полостями, причем сопло конструктивно содержат вставки из металлокерамических сплавов, оборудование выполнено из легированной, нержавеющей, стойкой к сероводородному растрескиванию стали, корпус выполнен из стойкой к сероводородному растрескиванию стали, а вихревые камеры и насадки-сопла из нержавеющей стали, корпус выполнен из легированной стали, а вихревые камеры и насадки - сопла из нержавеющей стали, что обеспечивает повышенную стойкость оборудования к механическому износу, коррозии и сульфидному растрескиванию.
Устройство показано на фиг.1. Для достижения технического результата внутрискважинный гидромеханического осциллятора состоит из набора секций, обеспечивающих за счет резьбовых соединений необходимую длину устройства и возможность соединения с колонной насосно - компрессорных труб (НКТ). Секция в свою очередь состоит из корпуса 1, в который вставляется вихревая камера, каждая из которых состоит из сопла - гайки 4, 5, 8, сопла с торцевым уплотнением 2, 7, 9 и подводящей втулке - камере 3, 6, 10. Нижняя часть устройства оборудована узлом регулирования напорных характеристик, осуществляющегося за счет изменения диаметра проходного сечения отверстия 12, выполненного в торцевом колпаке 11 устройства, путем ввинчивания втулок с различным проходным отверстием.
Верхняя вихревая камера создает волновой фронт пульсирующей технологической жидкости за счет тангенциально расположенных в подводящей втулке входящих каналов (см. фиг.2). Генерация акустических колебаний осуществляется в результате пульсации образующегося на оси камеры вихря. С увеличением степени закрутки возникают градиенты в радиальном и осевом направлениях вблизи выходного сечения сопла и, по мере увеличения степени закрутки, величина градиента тоже увеличивается, что приводит под действием вращающегося жидкостного потока к увеличению скорости потока до скорости пограничного слоя, образуемого ядром вихря. В результате в приосевой зоне (центре вихря) давление жидкости уменьшается до величин, меньших давления внешней среды. Под влиянием этой разности давлений в приосевую зону вихревой камеры периодически устремляется жидкость из внешней среды, что приводит к образованию рециркуляционной зоны.
Степень закрутки определяют по упрощенной формуле, получаемой с допущением малости потерь на трение по длине камеры закручивания:
где  - расстояние от оси сопла до оси входного канала (плечо закручивания);
- радиус выходного сопла;
- количество входных каналов;
- площадь сечения входного канала.
Проведенное математическое моделирование течения жидкости во внутренних полостях гидромеханического осциллятора, затрубном пространстве и области вокруг скважины позволили подобрать характерные геометрические размеры камеры. Поле скоростей потока жидкости (см. фиг.3) в поперечном сечении вихревой камеры верхней секции, в условиях моделирования закачки жидкости в скважину с эксплуатационной колонной наружным диаметром 114 мм и толщиной стенки 10 мм с углом фазировки перфорационных отверстий в 45° показывает устойчивое образование центрального вихря внутри вихревой камеры.
Для эффективной работы оборудование должно иметь степень закрутки более 5. При этом центробежная сила закручивает поток и выбрасывает через сопло образуя большой угол распыла 2α от 30 до 120°.
Средняя вихревая камера работает в режиме резонатора Гельмгольца. Жидкость поступает в ассиметричную полость через входное отверстие и покидает ее через сопло с острыми кромками. В полости развивается турбулентный пограничный слой, вследствие того, что входное отверстие меньше диаметра рабочей полости в подводящей втулке (скорость струи в входном отверстии выше, чем в камере), что ведет к сильным сдвиговым смещениям на границе раздела между двумя потоками, в результате чего образуются вихревые кольца. Соударение упорядоченных асимметричных возмущений с кромкой выходного отверстия насадка (сопла) генерирует периодические импульсы давления. Значение частоты срыва вихрей определяется:
где  - безразмерная частота колебания струи (число Струхаля);
- скорость потока жидкости в струе на входе в камеру резонатора;
- диаметр входящего в камеру отверстия.
Диапазон характерных частот, с учетом ограничения габаритов внутрискажинного оборудования, находятся в диапазоне 1000-2000 Гц.
Проведенное математическое моделирование течения жидкости во внутренних полостях гидромеханического осциллятора, затрубном пространстве и области вокруг скважины позволили подобрать характерные геометрические размеры камеры. Поле удельной кинетической энергии турбулентных пульсаций (см. фиг.4) в поперечном сечении вихревой камеры средней секции, в условиях моделирования закачки жидкости в скважину с эксплуатационной колонной наружным диаметром 114 мм и толщиной стенки 10 мм с углом фазировки перфорационных отверстий в 45° показывает устойчивое образование пульсаций внутри вихревой камеры.
Нижняя вихревая камера реализует механизм струйной форсунки с острой входной кромкой, при этом параметр цилиндрического сопла характеризуется следующим соотношением:
где  - длина сопла;
- диаметр отверстия сопла.
Что при небольших перепадах давления обеспечивает устойчивый безотрывный режим истечения (см. фиг.5). Струя жидкости при этом заполняет все выходное сечение форсунки. Коэффициент расхода на этом режиме достаточно высок (μ = 0,8…0,9), а при увеличении перепада давления на происходит переход на отрывной режим течения, а значит, к увеличению скорости движения (истечения) жидкости.
Проведенное математическое моделирование течения жидкости во внутренних полостях гидромеханического осциллятора, затрубном пространстве и области вокруг скважины позволили подобрать характерные геометрические размеры камеры. Поле скоростей потока жидкости (см. фиг.6) в поперечном сечении вихревой камеры нижней секции, в условиях моделирования закачки жидкости в скважину с эксплуатационной колонной наружным диаметром 114 мм и толщиной стенки 10 мм с углом фазировки перфорационных отверстий в 45° показывает высокие скорости истечения жидкости.
Струйные вихревые камеры подают жидкость в виде компактной струи, обладающей большой дальнобойностью. Угол конуса распыла а2 струйных форсунок небольшой и составляет от 3 до 15°.
Для предупреждения механического износа сопла (см. фиг.1. нижняя вихревая секция) изготавливаются с применением твердосплавных вставок из сплавов вольфрамовой группы с прочностью по HRC не менее 88 - марки ВК6, ВК8.
Для предупреждения коррозии оборудования при использовании в качестве рабочих жидкостей растворов кислот используются легированные нержавеющие стали примером могут служить: марки стали зарубежного производства 17-4РН, марки стали отечественного производства 07Х16Н4Д4Б, 4Х17Н2.
Для предупреждения сероводородного растрескивания металла при эксплуатации оборудования в средах, содержащих сероводород и углекислый газ при температурах от -40°С до +475°С используются марки стали ЮЧ 20, ЮЧ 20А.
Примеры использования:
Выполнена кислотная обработка призабойной зоны добывающей скважины со следующими характеристиками: интервал перфорации 1321-1325 м., пластовое давление 7,9 МПа, пластовая температура 32°С, содержание сероводорода 0%, дебит по нефти 6,7 т/сут., обводненность продукции - 42,3%.
3
Технико-технологические параметры кислотной обработки: гидромеханический осциллятор, состоящий из трех секций общей длинной равной 860 см. Общий объем закачки 12% соляно- кислотного состава - 12 м. Время выдержки - 3 часа.
В результате обработки дебит по нефти увеличился до 11,8 т/сут., при некотором увеличении обводнености продукции скважины до 48%.
Из анализа научно-технической и патентной литературы использование такого устройства для достижения поставленной технической цели не известно. На основании этого, полагаем, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень» и позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».