УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ, ПОСТУПАЮЩИМ В ДОБЫВАЮЩУЮ ИЛИ НАГНЕТАЮЩУЮ КОЛОННУ СКВАЖИНЫ

Техническое решение относится к области добычи полезных ископаемых, а именно, к области добычи жидких текучих сред из буровых скважин.
Разработанное устройство может быть использовано при регулировании потока добываемой жидкости, а именно нефти из скважины, а также для замещения нефти в пласте или ее прогрева с использованием дополнительно вводимой текучей среды в частности воды, пара или пароводяной смеси. При этом используют устройства разработанной конструкции, которые должны обеспечивать близкий к равномерному расход указанной среды на протяжении всего рабочего участка, длина которого может достигать 100 и более диаметров подводящего трубопровода.
В известных устройствах для обеспечения равномерной раздачи рабочей среды в пласт выполнены два канала ее подвода - внутренний и внешний по кольцевому зазору. На входе в кольцевой зазор установлены сопловые ограничители, выполненные из керамического материала. Задача этих ограничителей состоит в существенном (несколько десятых долей МПа) понижении давления за ними. Это достигается за счет больших скоростей потока (примерно 50-100 м/с) непосредственно в тракте течения керамической вставки. Такие дроссельные устройства хорошо работают на воде при достаточном подпоре давления на входе, при котором не происходит вскипания среды.
Если подпор недостаточен, то в тракте течения происходит локальное падение давления ниже давления насыщения и получение двухфазного неравновестного потока. При вскипании и конденсации воды и пара соответственно происходит очень быстрое и большое по величине изменение удельного объема среды, что приводит к локальному разгону маленьких капелек влаги до еще больших скоростей и ударному воздействию на стенки проточного тракта керамической вставки.
Известно, в частности, устройство (US, заявка 2009-0000787), применяемое для управления потоком жидкости, подаваемым в добывающую колонну скважины. Известное устройство содержит корпус с двумя торцевыми поверхностями, в котором расположены внутренние и внешние концентрические трубчатые участки с цилиндрической областью между ними, причем цилиндрическая область закрыта на одном торце тела и открыта в другом. Во внутреннем трубчатом участке сформировано окно, примыкающее к закрытому торцу. В цилиндрическом промежутке между первым и вторым торцами корпуса расположена стенка. В указанной стенке выполнено отверстие изменяемой площади, предназначенное для перемещения жидкости от одной торцевой поверхности к другой торцевой поверхности. В одном из вариантов реализации разработанного устройства в указанном отверстии может быть установлен регулируемый распределительный клапан давления. Кроме того, в указанном отверстии может быть дополнительно установлен вспомогательный клапан. Также указанное отверстие может дополнительно содержать подвижную задвижку, установленную с возможностью перекрывания, по меньшей мере, части отверстия для регулирования потока подаваемой жидкости через отверстие.
Недостатком известного устройства следует признать его сложность, а также малую пригодность для использования жидкостей, отличных от воды.
Техническая задача, решаемая посредством разработанной конструкции, состоит в создании оптимальных условий добычи жидких полезных ископаемых, в частности, нефти.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной конструкции, состоит в повышении нефтеотдачи пласта.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство для управления потоком жидкости, поступающим в добывающую или нагнетающую колонну скважины. Разработанное устройство для управления потоком жидкости, поступающим в добывающую или нагнетающую колонну скважины, содержит корпус, предпочтительно цилиндрический, со средствами ввода и вывода потока жидкости, подключенные к сети каналов для протока жидкости, расположенными между указанными средствами ввода и вывода потока жидкости, при этом сеть каналов выполнена с обеспечением возможности плавного увеличения гидравлического сопротивления движущемуся потоку жидкости. Плавное увеличение гидравлического сопротивления приводит к плавному понижению давления жидкости.
Увеличение гидравлического сопротивления может быть осуществлено за счет многократных изменений направления движения, и/или сужения и расширения, и/или слияния и разделения протекающего потока. В предпочтительном варианте реализации разработанного устройства могут быть использованы все три варианта увеличения гидравлического сопротивления потока жидкости. Подобное устройство может быть спроектировано на работу с любым типом среды: вода, пар или пароводяная смесь, а также с неводными типами жидкости. Располагаться оно может в тех же габаритах, которые отведены под размещение керамических вставок. Разработанное устройство может быть изготовлено из любого коррозионно стойкого металла или металлического сплава, а также из керамики. Диапазон его работы по скоростям потока практически на порядок ниже, чем у керамических вставок.
Работоспособность устройства основана на следующих предпосылках.
Известна зависимость перепада давления от скорости потока:
2
ΔР=ξρω/2
где: ΔР - перепад давления на элементе конструкции;
ξ - коэффициент гидравлического сопротивления элемента конструкции;
3
ρ - плотность потока кг/м;
ω - скорость потока м/с.
Исходя из представленной формулы видно, что наиболее эффективно на перепад давления влияет изменение скорости потока, так как скорость потока входит в формулу во второй степени. Следовательно, при изменении скорости потока за счет уменьшения проходного сечения канала, по которому движется поток, сопротивление или перепад давления увеличиваются в квадратичной зависимости.
Но при достаточно большом изменении скорости потока возникают явления, связанные с провалом давления ниже давления насыщения и появлением новой фазы, которая ниже по потоку может опять исчезнуть (вскипание и конденсация потока). При этих явлениях локальные скорости потока могут многократно возрастать и увеличивать локальные механические нагрузки на стенки канала. Поэтому даже керамическая вставка не спасает положение.
В разработанном техническом решении локальная скорость потока находится в допустимом пределе (около 10 м/с), а необходимый перепад давления достигается за счет увеличения коэффициента гидравлического сопротивления.
Как отмечено ранее, сам коэффициент гидравлического сопротивления можно увеличить за счет нескольких эффектов. Гидравлическое трение можно сделать большим за счет большой длины рабочего участка, но это с точки зрения весогабаритных размеров не очень эффективно. Более эффективно увеличивать коэффициент гидравлического сопротивления можно за счет изменения направления движения потока (повороты), сужения и расширения рабочего участка, где поток сначала ускоряется, а затем тормозится, и слияния и разделения потока.
Стабильность коэффициента гидравлического сопротивления во время ресурса работы или характеристики устройства в целом обеспечены также отсутствием острых кромок в канале движения потока. Вблизи острых кромок локальные скорости потока многократно возрастают, что может привести к описанным выше явлениям с теми же последствиями. Это также увеличивает скорость абразивных частиц, которые за счет износа поверхности стенки могут изменить геометрию проточного тракта и, как следствие, коэффициента гидравлического сопротивления. Поэтому острые кромки предложено заменить сглаженными кромками.
При реализации разработанного устройства понижение давления происходит плавно и равномерно по всей его длине, что обеспечивает хорошее перемешивание потока и мягкое протекание процесса дросселирования в целом.
В предпочтительном варианте реализации суммарная площадь сечения каналов, по которым проходит поток, составляет от 0,1 до 100 площадей сечения средства ввода или вывода жидкости. Указанные каналы, в зависимости от величины требуемого перепада давления могут располагаться на одинаковом расстоянии от оси корпуса, т.е. проходить параллельно оси корпуса, а могут, по меньшей мере, частично располагаться под углом к указанной оси. Устройство может быть выполнено с возможностью создания перепада давления до 100 МПа.
Разработанное техническое решение проиллюстрировано на фиг.1 и фиг.2., где приведены соответственно вид устройства в разрезе и вид устройства без корпуса. Устройство содержит корпус 1, ребро дросселя 2, каналы со сглаженными кромками в ребрах дросселя 3, отверстия 4 и подводящую трубу 5.
Разработанное устройство работает следующим образом. Поток жидкости к устройству подходит по подводящей трубе 5. Часть его через отверстия 4 подходит к ребру дросселя 3. Далее, проходя через сеть каналов со сглаженными кромками в ребрах, поток проходит дроссель, теряя при этом часть своего давления, и уходит в следующий тракт течения устройства.
Использование разработанного устройства позволяет при оптимальном расположении каналов создать перепад давления до 100 МПа.