УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИННОГО ФИЛЬТРА
WELL STRAINER CLEANOUT DEVICE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно предназначено для очистки скважинных фильтров.
Известно, что скважинные фильтры при эксплуатации засоряются (происходит кольматация) и дебит скважины уменьшается в несколько раз.
Способы очистки скважинных фильтров можно условно разделить на две группы:
- очистка асфальтосмолистых и парафиногидратных отложений (растворимых),
- очистка твердых механических отложений (песок, глина, доломит и других нерастворимых примесей).
В первом случае применяют нагрев или растворители, а во втором механическую очистку или волновое (акустическое или гидравлическое воздействие).
Известны способ и устройство для очистки скважинного фильтра по патенту РФ на изобретение №2332560, МПК E21B 43/00, опубл. 27.08.2008 г.
Скважинный фильтр с функцией очистки выполнен в виде трубы с ниппельными резьбовыми участками, на одном из которых установлена соединительная муфта и с отверстиями на боковой поверхности трубы. Концентрично трубе установлен фильтрующий элемент. Фильтрующий элемент выполнен в виде двух электродов, изолированных друг от друга посредством сетки из неэлектропроводного материала. Электроды выполнены в виде металлической сетки и имеют возможность подключения к источнику электроэнергии. Источник энергии размещен на поверхности или выполнен автономным, например, в виде батареи элементов питания или электрогенератора и установлен внутри скважинного фильтра. Техническим результатом является увеличение дебита скважины за счет периодической очистки фильтрующего элемента.
Недостатки этого технического решения возможность очистки только от асфальтосмолистыых и парафиногидратных отложений и необходимость выполнения подвода электроэнергии на большую глубину.
Известны способ и устройство для очистки скважинного фильтра по патенту РФ №2382178, МПК E21D 37.08, опубл. 27.09.2009 г.
Устройство для очистки скважинного фильтра включает генератор колебаний, установленный в корпусе, и средства доставки генератора колебаний на забой скважины и подвода электроэнергии. В качестве средства подвода электроэнергии используется геофизический кабель. Средство доставки генератора колебаний содержит электродвигатель с гидравлическим движителем. Электродвигатель и генератор колебаний установлены в герметичном корпусе. Гидравлический движитель выполнен с двумя гребными винтами, соединенными с электродвигателем через механизм передачи для обеспечения возможности вращения в противоположные стороны. Техническим результатом является обеспечение очистки скважинного фильтра и доставки устройства для очистки в горизонтальный участок скважины, предотвращение скручивания геофизического кабеля из-за вращения устройства.
Недостатки сложное и дорогостоящее устройство доставки, наличие многокилометрового геофизического кабеля, длительность процесса очистки скважинных фильтров.
Известны способ и устройство для очистки скважинного фильтра (самоочищающийся скважинный фильтр) по патенту РФ на изобретение №2338871, МПК E21B 49/08, опубл. 09.01.2007 г.
Это изобретение может быть использовано при добыче газа и фильтрации воды от песка. Самоочищающийся скважинный фильтр выполнен в виде трубы с ниппельными резьбовыми участками, на одном из которых установлена соединительная муфта, и с отверстиями на боковой поверхности трубы, концентрично которой установлен фильтрующий элемент. В фильтрующем элементе установлена изолированная обмотка, имеющая возможность подключения к автономному источнику энергии, например батарее элементов питания или электрогенератору, установленному внутри скважинного фильтра. Техническим результатом является увеличение дебита скважины за счет периодической очистки фильтра.
Недостаток - необходимость периодической смены элементов электропитания,, установленных внутри скважинного фильтра из-за загромождение его внутреннего сечения.
Известны способ и устройство для виброакустического воздействия на пласт по патенту РФ №2129659, МПК E21B 43/00, опубл. 27.01.1999 г.
Способ заключается в волновом воздействии на столб промывочной жидкости внутри скважинного фильтра.
Устройство содержит наземный пульт питания и контроля с силовым выпрямителем. Модуль генератора высокой частоты содержит блок задающего каскада частоты, блок усилителя мощности, блок согласования с нагрузкой и блок модуляции сигнала. Наземный электроразъем сообщен через питающий кабель с электроразъемом скважинного виброакустического прибора. В корпусе последнего размещен модуль виброакустического излучателя. Устройство снабжено дополнительно предохранительным блоком, блоком управляющего выпрямителя, блоком управления модуляцией сигнала, блоком индикации модуляции сигнала, модулем резонансной камеры, образованной двумя перекрывающими полость скважинного виброакустического прибора торцами и его корпусом. Модуль генератора высокой частоты находится в корпусе скважинного прибора и снабжен блоком фильтра частоты и блоком управления согласованием с нагрузкой, модуль виброакустического излучателя снабжен не менее чем двумя электроакустическими преобразователями, причем верхний и средний электроакустические преобразователи жестко соединены соответственно с верхним и нижним торцами модуля резонансной камеры с ее внешней стороны. Устройство реализовано в виде двух небольших наземных блоков и скважинного виброакустического прибора. Использование изобретения повышает КПД устройства и надежность его в работе за счет использования питания прибора постоянного тока и управляемого согласования излучения со скважинной средой.
Недостатки способа и устройства заключаются в низкой эффективности процесса очистки и его длительности. Это обусловлено тем, что источник волнового воздействия находится внутри скважины на большой глубине, что затрудняет подвод энергии к нему и управление. Для управления должен быть разработан специальный электронный прибор. Длительная очистка скважинного фильтра приводит к уменьшению времени эксплуатации скважины и уменьшению общего дебита нефти (газа).
Задачи создания группы изобретений - значительное улучшение и ускорение очистки скважинного фильтра.
Решение указанных задач достигнуто в устройстве очистки скважинного фильтра гидроволновым воздействием при помощи гидропульсатора, управляемого компьютером, на столб промывочной жидкости, находящийся внутри скважинного фильтра, содержащем компьютер, гидоропульсатор на трубопроводе подачи промывочной жидкости и трубопровод возврата промывочной жидкости, соединенный с зазором между обсадной колонной и колонной НКТ, отличающемся тем, что согласно изобретению гидропульсатор установлен внутри колонны НКТ и выполнен с возможностью изменения частоты пульсаций для автоматической настройки резонансной частоты, после пульсатора через измерительный трубопровод и кран присоединены датчики частоты и амплитуды пульсаций, соединенные электрической связью с компьютером. Гидропульсатор может быть установлен непосредственно перед скважинным фильтром.
Гидропульсатор может быть выполнен с возможностью изменения амплитуды колебаний применением перепускного канала с краном, выполненным параллельно гидропульсатору.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…5, где:
- на фиг.1 приведена схема устройства,
- на фиг.2 приведена схема системы очистки с регулированием амплитуды,
- на фиг.3 приведена схема воздействия на скважинный фильтр стоячей волной,
- на фиг.4 приведена схема настройки стоячей волны для получения максимального эффекта,
- на фиг.5 приведен алгоритм работы устройства.
Устройство для реализации способа (фиг.1…5) предназначено для очистки скважинного фильтра 1, установленного на колонне НКТ 2 внутри обсадной колонны 3 в районе нефтеносного пласта 4, находящегося в грунте 5. Это устройство содержит емкость 6 для хранения промывочной жидкости, к которой присоединен трубопровод низкого давления 7, имеющий с одной стороны фильтр 8, а с другой - насос 9 с приводом 10. К выходу насоса 9 присоединен трубопровод подачи промывочной жидкости 11, на другом конце которого установлен клапан 12. Внутри колонны НКТ 2 установлен управляемый пульсатор 13 с приводом 14. Предпочтительно установить управляемый пульсатор 12 непосредственно перед скважинным фильтром 1. Между колонной НКТ 2 и обсадной колонной 3 образован зазор 16. Полость зазора 16 сообщается с кольцевой полостью 17 коллектора 18. К коллектору 18 присоединен трубопровод возврата промывочной жидкости 19, другой конец которого находится над емкостью 6 или внутри нее.
Система управления процессом выполнена в виде компьютера 20 (системный блок), к которому электрическими связями 21 присоединены монитор 22, клавиатура 23 и манипулятор типа «мышь» 24.
Привод 14 соединен с компьютером 20 геофизическим кабелем 25. Геофизический кабель 25 переброшен через блок 26 и соединен с устройством согласования объектов УСО-27, которое электрической связью 21 соединено с компьютером 20.
После клапана 12 через измерительный трубопровод 28 и кран 29 присоединены датчики частоты и амплитуды пульсаций соответственно 30 и 31 и манометр 32 предназначен для визуального контроля.
Датчики 30 и 31 линиями связи соединены со входом в УСО 27 для преобразования показаний этих датчиков в информацию, понятную для компьютера 20.
Второй вариант исполнения устройства (фиг.2) дополнительно содержит байпасный трубопровод 33, выполненный параллельно крану 12, с краном 34 (фиг.2).
РАБОТА УСТРОЙСТВА
При работе включают компьютер 20, на который предварительно установлено соответствующее программное обеспечение.
Кроме того, подают напряжение на привод 10 насоса 9 и подают промывочную жидкость по трубопроводу 10 через клапан 12, пульсатор 13 в полость 15 трубы НКТ 2 и далее в скважинный фильтр 1, потом через зазор 16 в коллектор 18 и далее возвращают по трубопроводу сброса 19 в емкость 10.
Управление включением, частотой и амплитудой пульсаций осуществляется по геофизическому кабелю 25. Компьютер 20 подает управляющий сигнал через УСО 27, и геофизический кабель 25 на привод 14 для периодического открывания и закрывания пульсатора 13. Пульсатор 13 создает пульсации давления в полости 15 и внутри скважинного фильтра 1. Вследствие этого твердые частицы с внешней стороны скважинного фильтра 1 попадают в зазор 18 и далее в емкость 6.
Расположение пульсатора 13 непосредственно перед скважинным фильтром 1 позволяет получить большую амплитуду пульсаций и улучшить очистку скважины.
При использовании гидравлического канала связи 25 компьютер 20 определяет скорость звука в промывочной жидкости в зависимости от ее температуры (фиг.5). Используя данные по глубине скважины и/или протяженности скважины (для горизонтальных и наклонных скважин), компьютер 20 вычисляет расчетную резонансную частоту, которая может отличаться от реальной резонансной частоты. Датчик частоты измеряет реальную частоту пульсаций и корректирует режим работы гидропульсатора для уменьшения разницы между этими значениями. Одновременно измеряют амплитуду пульсаций, и если произошло ее увеличение, то продолжают коррекцию частоты в том же направлении. При достижении максимальной амплитуды пульсаций прекращают коррекцию
Значительная эффективность получается в случае применения стоячей волны (фиг.3). Наибольшая эффективность очистки получается, если длина волны выполнена больше чем удвоенная длина скважинного фильтра и пучность волны приходится на середину фильтра (фиг.4).
Стоячая волна - колебания в распределенных колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отраженной волны на падающую. При этом крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения.
Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам ее поглощения или излучения.
В случае гармонических колебаний в одномерной среде стоячая волна описывается формулой:
0
u=ucos kx cos(ωt-φ),
0
где u - возмущения в точке x в момент времени t, u - амплитуда стоячей волны, ω - частота, k - волновой вектор, φ - фаза.
Стоячие волны являются решениями волновых уравнений. Их можно представить себе как суперпозицию волн, распространяющихся в противоположных направлениях.
При существовании в среде стоячей волны существуют точки, амплитуда колебаний в которых равна нулю. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки, в которых колебания имеют максимальную амплитуду, называются пучностями. В этих местах силовое воздействие волны на стенки скважинного фильтра - максимальное.
Математическое описание стоячих волн
В одномерном случае две волны одинаковой частоты, длины волны и амплитуды, распространяющиеся в противоположных направлениях (например, навстречу друг другу), будут взаимодействовать, в результате чего может возникнуть стоячая волна. Например, гармоничная волна, распространяясь вправо, достигая конца струны, производит стоячую волну. Волна, что отражается от конца, должна иметь такую же амплитуду и частоту, как и падающая волна.
Рассмотрим падающую и отраженную волны в виде:
1
0
y=ysin(kx-ωt)
2
0
y=ysin(kx+ωt)
где:
0
- y - амплитуда волны,
- ω - циклическая (угловая) частота, измеряемая в радианах в секунду,
- k - волновой вектор, измеряется в радианах на метр, и рассчитывается как 2π поделенное на длину волны λ,
- x и t - переменные для обозначения длины и времени.
1
2
Поэтому результирующее уравнение для стоячей волны y будет в виде суммы y и y:
0
0
y=ysin(kx-ωt)+ysin(kx+ωt).
Используя тригонометрические соотношения, это уравнение можно переписать в виде:
0
y=2ycos(ωt)sin(kx).
Если рассматривать моды x=0, λ/2, 3λ/2, … и антимоды x=λ/4, 3λ/4, 5λ/4, …, то расстояние между соседними модами/антимодами будет равно половине длины волны λ/2
Волновое уравнение
Для того, чтобы получить стоячие волны как результат решения однородного дифференциального волнового уравнения (Даламбера)
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mo>∇</mo><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mi>υ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>x</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>u</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
необходимо соответствующим образом задать его граничные условия (например, закрепить концы струны).
В общем случае неоднородного дифференциального уравнения
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mo>∇</mo><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mi>υ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>x</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>u</mi><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mi>u</mi></mrow>
,
0
где f - выполняет роль «силы», с помощью которой осуществляется смещение в определенной точке струны, стоячая волна возникает автоматически.
Программное обеспечение для реализации способа разработано. Алгоритм ПРЭВМ приведен на фиг.5.
Требования к компьютеру: не ниже Пентиум 4, ОС Windovs-XP.
Применение изобретения позволило:
- повысить эффективность очистки скважинного фильтра за счет большой мощности резонансных пульсаций и применения стоячей волны.,
- ускорить очистку скважинного фильтра,
- полностью автоматизировать процесс очистки,
- обеспечить удобство эксплуатации, так как все оборудование размещено на поверхности,
- обеспечить ремонтопригодность аппаратуры за счет ее размещения над поверхностью земли,
- быстро наладить серийное производство аппаратуры для очистки скважинных фильтров. Применять массово выпускаемые персональные компьютеры практически без доработок не считая разработки программы управления.