Электрогидравлический комплекс с плазменным разрядником
ELECTROHYDRAULIC COMPLEX WITH PLASMA SPARK GAP

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности к оборудованию для стимуляции повышения нефтеотдачи пласта. Данный комплекс наиболее применим при работах на скважинах, где используются фонтанный и газлифтный способы добычи нефти, а также при комплексной обработки призабойной зоны пласта совместно с акустическими (ультразвуковыми) излучателями.
Уровень техники
Электрогидравлический эффект с первых дней его открытия был и остается постоянным источником рождения множества прогрессивных технологических процессов, которые сейчас уже широко применяются во всем мире [1] в различных отраслях промышленности. Эффективным является также применение электрогидравлических технологий в нефтедобыче. В работах [2-4], посвященных сейсмоакустическим технологиям, показано, что низкочастотные колебания благоприятно сказываются на нефтеотдаче пласта. Впервые электрогидравлические приборы в рамках сейсмоакустических технологий были применены в 1992 году.
Существующее в настоящее время электрогидравлическое оборудование, предназначенное для работ в нефтяных и газовых скважинах, имеет в основном диаметр скважинных приборов 102 мм [5-8]. Есть также прибор, имеющий диаметр 69,9 мм и длину 11,8 метров [9]. Таким образом, по своим габаритам все эти приборы могут работать только через обсадную трубу (эксплуатационную колонну). В то же время, все существующие способы добычи нефти (фонтанный, газлифтный, насосный) предполагают наличие насосно-компрессорной трубы (НКТ).
Извлечение и последующий спуск НКТ достаточно трудоемкий процесс, кроме временных и финансовых затрат он влечет за собой и снижение ресурса НКТ (резьбовых соединений). На скважинах, где используется насосный способ добычи нефти, перечисленные выше скважинные приборы можно использовать при проведении текущего или капитального ремонта, когда НКТ все равно извлекается и можно работать через обсадную трубу. Однако извлечение НКТ из скважин с фонтанным и газлифтным способом добычи нефти является нецелесообразным, особенно на шельфовых скважинах. В этом случае для стимуляции нефтяного пласта целесообразно применять электрогидравлический прибор, имеющий внешний диаметр не более 52 мм. Это обеспечит возможность его использования практически через все существующие НКТ, т.к. наиболее распространенными являются НКТ с диаметрами 60-89 мм.
Известно устройство, состоящее из наземного источника электропитания и скважинного аппарата [8]. Скважинный аппарат выполнен в виде полого цилиндрообразного корпуса, перегородками разделенного на герметичные отсеки, содержит электрически взаимосвязанные между собой зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов и разрядный блок, оснащенный электродами. При этом аппарат дополнительно снабжен установленным в его полости коммутирующим средством, которое соединено с пультом управления и взаимосвязано с источником электропитания, работает в автоматическом режиме. Коммутирующее средство установлено в одном отсеке с блоком накопительных конденсаторов, а отсек, в котором расположены блок накопительных конденсаторов и коммутирующее средство, заполнен электроизолирующей средой. Подают постоянное напряжение от наземного источника электропитания на зарядное устройство. Заряжают блок накопительных конденсаторов при их параллельном соединении до необходимой величины напряжения и разряжают блок накопительных конденсаторов, что обеспечивает поступление его выходного напряжения на электроды разрядного блока. Накопительные конденсаторы, после окончания зарядки их блока, переключают в последовательное соединение. Затем производят разрядку блока накопительных конденсаторов, обеспечивая увеличение его выходного напряжения пропорционально-ступенчато количеству конденсаторов. При этом величину постоянного напряжения, подаваемого на зарядное устройство, устанавливают в пределах 300-150 B. Максимальное значение необходимой величины напряжения для зарядки блока накопительных конденсаторов принимают равным 20-27 кВ.
Из-за применения сложной электрической схемы и необходимости заряжать конденсаторы до напряжения 20-27 кВ, такой скважинный аппарат имеет большие габариты - диаметр 102 мм и длину не менее 2500 мм.
Известно устройство [6, 7], имеющее все необходимые узлы и элементы: накопители энергии, электрические схемы поджига, устройство подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки. Устройство подачи содержит корпус, узел высоковольтного электрода, узел низковольтного электрода, в котором предусмотрено отверстие для подачи в межэлектродное пространство проволоки. Корпус содержит основную часть, торцевую часть и соединяющие упомянутые части перемычки. Упомянутые части корпуса выполнены за одно целое. Узел высоковольтного электрода расположен в основной части корпуса. Узел низковольтного электрода расположен в торцевой части корпуса. В стенке корпуса выполнено сквозное отверстие, проходящее через основную часть, перемычку и торцевую часть. Отверстие предназначено для размещения электрической проводки. Узел высоковольтного электрода скважинного источника сейсмической энергии содержит электрод, два диска из диэлектрического материала, втулку, коническую втулку. Узел низковольтного электрода скважинного источника сейсмической энергии содержит контактный элемент, втулку с выступом и коническим участком и направляющую трубку.
В патентах [6, 7] подробно описано устройство электродов и полностью отсутствует описание работы накопителей энергии, электрической схемы поджига и узла подачи проволоки. Но судя по тому, что рассмотренные скважинные приборы имеют диаметр 102 мм, все предлагаемые устройства имеют большие габариты.
Известен также скважинный источник упругих колебаний [5], принятый нами за прототип, который содержит скважинный снаряд с размещенным в нем накопителем энергии, зарядным устройством, разрядником со схемой поджига, электроимпульсным разрядником с двумя электродами, устройством подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки. Устройство подачи включает барабан для хранения запаса проволоки, механизм протягивания проволоки. Механизм протягивания проволоки выполнен в виде двух металлических пластин, закрепленных одними концами на диаметрально противоположных сторонах стержня. Пластины прижаты пружинами противоположными заостренными концами к расположенной на направляющей площадке проволоке и ориентированы под углом к ней, обеспечивающим ее попеременное зацепление и движение в сторону межэлектродного пространства при возвратно-поступательном движении стержня, соединенного с помощью оси и тяги с подвижным якорем соленоида. Стержень и соединенная с якорем соленоида тяга соединены осью, проходящей через отверстие в диэлектрической пластине. В скважинном снаряде установлено реле. В разрядной цепи накопительных конденсаторов скважинного снаряда установлен пояс Роговского.
У рассматриваемого прототипа диаметр скважинного прибора также составляет 102 мм, что связано с большими габаритами механизма подачи проволоки. В качестве привода для протяжки провода используется соленоид и дополнительная автоматика для включения его в работу, что снижает надежность привода и работы скважинного прибора в целом.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является повышение эффективности и экономичности операции по повышению нефтеотдачи пласта при работе через НКТ. Под эффективностью понимается возможность обработки скважин без остановки нефтедобычи на газлифтных и фонтанных скважинах. Под экономичностью операции понимается снижение затрат на ее проведение.
Технический результат заключается в повышении нефтеотдачи пласта и в очистке призабойной зоны
Заявленный технический результат обеспечивается за счет того, что электрогидравлический комплекс с плазменным разрядником содержит наземный блок питания и управления, скважинный электрогидравлический прибор, плазменный разрядник, электроды, устройство подачи металлической проволоки, причем скважинный электрогидравлический прибор выполнен модульной конструкцией и состоит из блока стабилизации, блока конденсаторов и плазменного разрядника, при этом плазменный разрядник состоит из корпуса с внутренней полостью, верхней частью соединенный с соединительной втулкой, а нижней частью соединенный с опорной втулкой, в полости корпуса расположен цилиндр, закрепленный на средней части опорной втулки, а цилиндр содержит поршень со штоком и пружиной, на верхней части поршня закреплен механизм подачи проволоки, выполненный в виде рычага с опорной площадкой и кулисой с пружиной, при этом на опорной площадке и кулисе со стороны, обращенной к проволоке, выполнены направленные насечки, к цилиндру прикреплены четыре стержня, являющихся основанием для узла крепления катушки, в опорной втулке выполнены отверстия для расположения и крепления отрицательного и положительного электродов, при этом электроды выполнены изолированными с открытыми участками, обеспечивающими плазменный разряд, в отрицательном электроде выполнено осевое отверстие для прохождения проволоки, снизу на опорной втулке посредством стоек закреплен направляющий конус.
В частном случае реализации заявленного технического решения конденсаторы в блоке конденсаторов соединены параллельно.
В частном случае реализации заявленного технического решения опорная втулка выполнена из стеклотекстолита.
В частном случае реализации заявленного технического решения поршень выполнен с отверстиями, выравнивающими давление надпоршневого пространства с давлением в скважине.
В частном случае реализации заявленного технического решения механизм подачи проволоки является ограничителем, удерживающим поршень в заданном положении.
Во-первых, за счет того, что непрекращающаяся нефтедобыча способствует извлечению грязи, которая неизбежно отслаивается при электрогидравлическом воздействии от обсадной трубы и пород пласта в призабойной зоне. Это также дает дополнительный эффект в виде повышения дебита нефти в скважине, т.е. способствует интенсификации добычи нефти.
Во-вторых, снижение затрат происходит за счет исключения операций на извлечение и последующий спуск НКТ, а также за счет компенсации части затрат продолжающейся добычей нефти в процессе обработки. Все это невозможно при применении других электрогидравлических приборов.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания реализации заявленного технического решения и чертежей, на которых показано:
Фигура 1 - схема скважинного электрогидравлического прибора.
Фигура 2 - эскизный чертеж разрядника ЭГП в двух проекциях.
На фигуре цифрами обозначены следующие позиции:
1 - соединительная втулка, 2 - корпус, 3 - катушка, 4 - узел крепления катушки, 5 - опора, 6 - механизм подачи проволоки, 7 - цилиндр, 8 - поршень со штоком, 9 - стеклотекстолитовая опорная втулка, 10 - стойки крепления конуса, 11 - направляющий конус, 12 - проволока, 13 - кулиса с пружиной, 14 - опорная площадка, 15 - герметизирующая вставка, 16 - крепление отрицательного электрода; 17 - клемма отрицательного электрода, 18 - уравнивающее отверстие; 19 - отрицательный электрод, 20 - положительный электрод, 21 - крепление положительного электрода, 22 - клемма положительного электрода, 23 - изоляция электродов; 24 - головка под кабельный наконечник; 25 - блок повышающего инвертора; 26 - блок конденсаторов; 27 - плазменный разрядник.
Раскрытие изобретения
Конструктивно электрогидравлический комплекс с плазменным разрядником (ЭГК-ПР) состоит из двух основных частей: наземный блок питания и управления и скважинный электрогидравлический прибор (СЭГП). СЭГП имеет модульную конструкцию (фиг. 1), состоящую из блока повышающего инвертора (25), блока конденсаторов (26) и плазменного разрядника (27). Он имеет длину не более 3 метров и диаметр не более 52 мм, что обеспечивает свободный проход прибора через все существующие НКТ.
В блоке повышающего инвертора (25) напряжение питания преобразуется в постоянное высоковольтное напряжение. Ввиду того, что преобразование входного напряжения питания производится на высокой частоте, повышающий-развязывающий трансформатор, входящий в блок повышающего инвертора, имеет малые габариты. В блоке конденсаторов (26) используют конденсаторы, один вывод которых - коаксиальная шпилька, а второй вывод - цилиндрический корпус, таким образом, конденсаторы соединены параллельно в батарею простым креплением шпилек. Такая конструкция занимает минимум пространства и позволяет использовать малогабаритные комплектующие.
Модульность конструкции позволяет наращивать мощность СЭГП за счет использования дополнительных блоков конденсаторов в необходимом диапазоне, например от 0,5 до 3 кДж. Модульность обеспечивается за счет применения резино-пластикового соединения, усиленного тросиками.
Особую роль в изобретении играет конструкция плазменного разрядника. В отличие от прототипа он имеет не электрический, а механический привод. Он выполнен в виде блочной, легко разбираемой конструкции, которая позволяет легко заменять любые детали, а также устанавливать новую катушку с проволокой, что особенно важно в полевых условиях. Корпус разрядника (2) навинчен на соединительную втулку (1) и зафиксирован винтом. В нижней части к корпусу разрядника привинчена опорная втулка (9) из стеклотекстолита, к которой прикреплены все остальные элементы.
В средней части втулки ввинчен цилиндр (7), в котором установлен поршень (8) со штоком и пружиной. В поршне (8) выполнены небольшие отверстия (18) для выравнивания давления надпоршневого пространства с давлением в скважине. К верхней части поршня (8) прикреплен механизм подачи проволоки (6), одновременно являющийся ограничителем, удерживающим поршень в заданном положении. Механизм подачи представляет собой рычаг с опорной площадкой (14) и кулисой с пружиной (13). На опорной площадке и кулисе со стороны, обращенной к проволоке (12), сделаны направленные насечки, позволяющие двигаться механизму подачи вверх, не воздействуя на проволоку, и при движении вниз обеспечивающие зацепление с проволокой.
К цилиндру (7) крепится 4 стержня (5), которые являются основанием для узла крепления (4) катушки (3). Стержни также обеспечивают удержание цилиндра от выбивания из втулки (9) при воздействии поршня (8) за счет опоры на соединительную втулку (1).
В опорной втулке (9) выполнены 2 отверстия для крепления электродов (17, 18). Электроды имеют изоляцию (23), исключающую перетекание тока. Открытыми являются только участки, обеспечивающие плазменный разряд. К положительному электроду (20) крепится силовой провод при помощи клеммы (22) и винта (21). К отрицательному электроду (19) также крепится силовой провод, но в электроде выполнено осевое отверстие для прохождения проволоки (12). Для герметизации отверстия используется герметизирующая вставка (15).
Снизу к опорной втулке с помощью стоек (10) закреплен направляющий конус (11). Он обеспечивает свободное движение СЭГП по НКТ и одновременно, вместе со стойками, защищает электроды от механического воздействия.
Работа электрогидравлического комплекса осуществляется следующим образом.
Наземный блок питания подключается к сети переменного тока напряжением 220 B, преобразует его в постоянный ток и передает по геофизическому кабелю в блок стабилизации и блок конденсаторов. Электрическая энергия накапливается в конденсаторах и при их наполнении происходит плазменный разряд через электроды (17, 18), соединенные проволокой (12), которая предварительно выставляется в нужное положение.
В результате плазменного разряда происходит электрогидравлический удар, воздействующий на нефтяной пласт и его призабойную зону, что способствует стимуляции повышения нефтеотдачи пласта и интенсификации добычи нефти.
Ударная волна воздействует также на поршень (8), который поднимается вверх, сжимает пружину и перемещает механизм подачи проволоки (6). Поверхности опорной площадки (14) и кулисы (13) легко скользят по проволоке (12) вверх. При распрямлении пружины механизм подачи опускается вниз и за счет специальных насечек на опорной площадке и кулисе и пружины кулисы, обеспечивающей ее прижатие, тянут проволоку вниз через отрицательный электрод до контакта с положительным электродом. Затем весь цикл повторяется.
Источники информации
1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, Ленинградское отд., 1986, 253 с.
2. Кузнецов О.Л., Симкин Э.М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты, 2001, 260 с.
3. Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Курьянов Ю.А. и др. Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред, 2007, 432 с.
4. Ревизский Ю.В., Дыбленко В.П. Исследование и обоснование механизма нефтеотдачи пластов с применением физических методов. М., Недра, 2002, 300 с.
5. Патент № RU 2248591, Скважинный источник упругих колебаний, 2004 г.
6. Патент № RU 2385472, Скважинный источник сейсмической энергии, узел высоковольтного электрода и узел низковольтного электрода, 2007 г.
7. Патент № RU 2373386, Способ воздействия на призабойную зону скважины и нефтенасыщенные пласты (варианты) и устройство для его осуществления, 2008 г.
8. Patent № US 2012/0043075, Method and assembly for recovering oil using elastic vibration energy, 2012.
9. http://www.bluesparkenergy.net/wasp/#applications