УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИННОГО ФИЛЬТРА
DOWNHOLE FILTER CLEANING DEVICE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно к очистке скважных фильтров от кольматации.
Известен акустический метод декольматации фильтра при помощи магнитострикционных или пьезоэлектрических излучателей ультразвуковых колебаний (см. кн. «Восстановление дебита водозаборных скважин» М.: Агропромиздат, 1987 г. Авторы B.C. Алексеев, В.Г. Гребенников. Стр. 156). Способ обладает широким спектром частот излучаемых колебаний, возможностью генерировать кавитационный поток жидкости высокой энергии, что позволяет разрушать кольматанты различных типов. Кроме этого, при генерировании ультразвуковых колебаний в жидкой среде имеет место эффект ее обеззараживания и подавления развития биологических организмов. Недостатком способа является то, что для его применения требуется демонтаж водоподъемного оборудования каждый раз, когда производительность скважины снижается до критического уровня.
Известны способ и устройство для регулярной очистки прифильтровой зоны вертикальных скважин без демонтажа водоподъемного оборудования по патенту РФ №2612046. Устройство содержит акустический излучатель и средство его доставки в виде лифтового оборудования, которые расположены внутри фильтрового пространства и соединены соответственно кабелем электрической связи с пультом управления лифтовым оборудованием и генератором высокочастотных электрических колебаний. Пульт управления и генератор электрических колебаний находятся на поверхности земли. Лифтовое оборудование закреплено на нижней части погружного насоса и производит возвратно-поступательное перемещение (верх-вниз и обратно) акустического излучателя вдоль оси скважинного фильтра.
Акустический излучатель состоит из цепочки связанных между собой секторов (блоков), расположенных вдоль оси фильтра и выполненных из герметичных цилиндрических корпусов, оси симметрии которых перпендикулярны оси фильтра. В корпусе каждого блока установлены две ультразвуковые колебательные системы, работа которых основана на применении пьезоэлектрических (пьезокерамических) или магнитострикционных преобразователей электрических колебаний в механические. Рабочие поверхности волноводов-инструментов (источники ультразвуковых колебаний) направлены в противоположные стороны на внутреннюю поверхность фильтра. Оси симметрии блоков относительно друг друга расположены под углом равным кратному от деления 180° на их количество (по типу кругового веера). В зависимости от размера проекции ультразвукового потока (от одного источника) на внутреннюю поверхность фильтра устанавливают такое количество блоков, при котором суммарный ультразвуковой поток (от всех источников) при перемещении акустического излучателя воздействует на всю внутреннюю поверхность фильтра. Цепочка блоков в виде гирлянды фиксируется вдоль оси фильтра с помощью двух веерных наборов гибких стержней-центраторов расположенных перпендикулярно оси фильтра в верхней и нижней части гирлянды.
Недостаток данного акустического излучателя заключается в том, что при малых размерах внутреннего диаметра скважинного фильтра возможно применение только малогабаритных ультразвуковых колебательных систем с ограниченными размерами рабочей поверхности волновода-инструмента. Такие источники ультразвуковых колебаний имеют небольшие размеры проекции ультразвукового потока на фильтр, поэтому требуется большое количество блоков ультразвуковых преобразователей, что значительно усложняет конструкцию акустического излучателя.
Известно устройство для очистки скважинного фильтра по патенту РФ №2672074, МПК Е21В 37/08, опубл. 09.11.2018 г., прототип.
Это устройство содержит один блок ультразвуковых преобразователей, сверху и снизу блока устанавливают опорные плиты, узел вращения и электродвигатель. Устройство имеет вид гирлянды из следующих последовательно соединенных между собой элементов: верхняя опорная плита, узел вращения, блок ультразвуковых преобразователей, электродвигатель и нижняя опорная плита. Опорные плиты расположены перпендикулярно оси фильтра и по периметру имеют гибкие стержни-центраторы. С помощью электродвигателя производят вращательные колебания блока на угол равный 180° по типу часового маятника, при этом ультразвуковые потоки жидкости от рабочих поверхностей волноводов-инструментов сканируют внутреннюю поверхность фильтра по всей окружности фильтра на 360°. Одновременно с этим процессом, с помощью средства доставки осуществляют возвратно-поступательные перемещения акустического излучателя вдоль оси фильтра. Таким образом, обеспечивают последовательную обработку всей внутренней поверхности скважинного фильтра направленными ультразвуковыми потоками жидкости и регулярную очистку прифильтровой зоны скважины без демонтажа водоподъемного оборудования.
В качестве ультразвукового преобразователя используют ультразвуковую колебательную систему с большой амплитудой колебания, описанную в патенте РФ №2465071. Конструкция колебательной системы имеет форму тела вращения и состоит из, по крайней мере, двух дисковых пьезоэлементов расположенных между отражающей и концентрирующей накладкой с волноводом-инструментом на конце в форме диска. Пьезоэлементы и накладки размещены в цилиндрическом стакане с резьбовыми стяжками по торцам. При подаче на пьезоэлементы электрических импульсов формируются механические ультразвуковые колебания, которые через концентрирующую накладку передаются на рабочую поверхность волновода-инструмента.
Недостатки: не проработаны средства доставки и не используется механическая обработка скважинного фильтра.
Известно устройство для очистки скважинного фильтра по патенту РФ №2392178, МПК Е21В 37/08, опубл. 27.09.2009 г., прототип.
Это устройство для очистки скважинного фильтра, включающее блок управления на поверхности, и скважинную часть устройства, содержащую блок щеток с приводом блока и генератор колебаний, установленный в герметичном корпусе и средство доставки на забой скважины и подвода электроэнергии, при этом в качестве средства доставки и подвода электроэнергии используют геофизический кабель, генератор колебаний установлен в герметичном корпусе
Недостатки:
- отсутствие контроля работы устройства,
- отсутствие эффективного управления процессом очистки,
- невозможность точно согласовать работу двух гребных винтов и исключить скручивание геофизического кабеля.
Задачи создания изобретения: обеспечение визуального контроля положения устройства и обеспечение контроля и управления процессом очистки.
Достигнутые технические результаты: обеспечение контроля положения устройства, основных параметров его работы и эффективного управления процессом очистки.
Решение указанных задач достигнуто в устройстве для очистки скважинного фильтра, включающем блок управления на поверхности, и скважинную часть устройства, с которой соединен блок щеток, с установленными в герметичном корпусе приводом щеток, генератор колебаний, средство доставки скважинной части устройства на забой скважины, при этом в качестве средства доставки используют геофизический кабель, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде системного блока с монитором, а в скважинной части устройства установлены фиксирующий блок с возможностью фиксирования скважинной части для предотвращения ее дальнейшего перемещения, конический редуктор с одним ведущим и несколькими ведомыми валами, блок щеток выполнен в виде щеток в форме части сферы, с цилиндрическим основанием, со стальной проволокой и с кронштейном, в котором выполнено отверстие продолговатой формы, щетки соединены с выходными валами конического редуктора, имеющими плоские держатели с отверстиями, скважинные датчики и скважинный контроллер датчиков, к входу в который они присоединены, а выход которого соединен через геофизический кабель с системным блоком, а также установлен скважинный контроллер управления, соединенный скважинной линией управления с фиксирующим блоком, генератором колебаний, приводом щеток и с геофизическим кабелем и далее через контроллер управления с системным блоком.
Выходные валы конического редуктора могут быть выполнены перпендикулярно оси скважинной части устройства.
Щетки могут быть выполнены возможностью совершать вращательное движение и возможно одновременно окружное возвратно-поступательное перемещение на угол:
ϕ=360°/n,
где n - число щеток.
В качестве генератора колебаний может быть применен ультразвуковой генератор.
В качестве генератора колебаний может быть применен вибратор.
Геофизический кабель может быть подключен через кабельный наконечник к генератору колебаний, приводу блока щеток и блоку фиксации.
Герметичный корпус может быть выполнен с компенсатором давления и температурного расширения.
Блок щеток может быть выполнен с возможностью создания вращательного и колебательного движений.
На поверхности может быть установлен модем, соединенный с системным блоком и сетью «Интернет».
Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг. 1…7), где:
- на фиг. 1 приведена общая схема устройства очистки скважинного фильтра, включая часть на поверхности и скважинную часть.
- на фиг. 2 приведена скважинная часть устройства,
- на фиг. 3 приведена схема измерения и управления,
- на фиг. 4 - чертеж блока щеток, разрез А-А,
- на фиг. 5 приведен выходной вал конического редуктора,
- на фиг. 6 приведен блок щеток с коническим редуктором,
- на фиг. 7 приведен вид В.
Перечень обозначений, принятых в описании.
1. обсадная колонна 1,
2. скважинный фильтр 2,
3. продуктивный пласт 3,
4. перфорированная труба 4.
5. фильтрующий элемент 5,
6. скважинная часть устройства 6.
7. герметичный корпус 7,
8. генератор колебаний 8,
9. средство доставки 9,
10. кабельный наконечник 10,
11. геофизический кабель 11,
12. катушка 12,
13. системный блок 13,
14. электрические связи 14,
15. источник питания электроэнергией 15,
16. монитор 16.
17. датчик измерения длины кабеля 17,
18. поверхность 18,
19. привод 19,
20. выключатель привода 20,
21. тормоз 21,
22. включатель тормоза 22,
23. котроллер управления 23,
24. верхний контроллер датчиков 24,
25. блок щеток 25,
26. привод щеток 26,
27. вал привода 27,
28. конический редуктор 28,
29. ведущий вал 29,
30. ведомые валы 30,
31. ведущая шестерня 31,
32. ведомые шестерни 32,
33. щетки 33,
34. цилиндрическое основание 34,
35. стальная проволока 35,
36. кронштейн 36,
37. ребра 37,
38. эллипсное отверстие 38,
39. плоский держатель 39,
40. отверстие 40,
41. цилиндрический шарнир 41,
42. компенсатор давления и температурного расширения 42,
43. акустические излучатели 43,
44. датчик частоты вращения щеток 44,
45. датчик амплитуды колебаний 45,
46. датчик частоты колебания 46,
47. скважинный контроллер датчиков 47,
48. скважинный контроллер управления 48,
49. скважинные провода управления 49,
50. скважинные силовые кабели 50.
51. скважинные связи измерения 51,
52. блок фиксации 52,
53. фиксатор 53,
54. модем 54,
55. сеть Интернет 55.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для очистки скважинного фильтра. Оно предназначено для спуска в обсадную колонну 1 внутрь скважинного фильтра 2, установленного в продуктивном пласте 3 для очистки скважинного фильтра 2 при кольматации акустическими или механическими колебаниями, например звуком, ультразвуком, вибрацией или сочетанием этих видов колебаний.
Скважинный фильтр 2, как правило, выполнен в виде перфорированной трубы 4 с фильтрующим элементом 5. Фильтрующий элемент 5 может быть сетчатым, щелевым или из пористого материала. При эксплуатации фильтрующий элемент 5 забивается (происходит кольматация) посторонними частицами, в результате чего дебит скважины резко уменьшается.
Устройство содержит скважинную часть устройства 6.
Основной вариант устройства (фиг. 1) содержит, установленные скважинную часть устройства 6 в герметичном корпусе 7, генератор колебаний 8 и средство доставки 9. Устройство имеет на одном из торцов кабельный наконечник 10, к которому подключен геофизический кабель 11.
В основном варианте геофизический кабель 11 используют как средство доставки Геофизический кабель 11 намотан на катушку 12 и подключен к блоку управления, роль которого выполняет системный блок 13, к которому в свою очередь, электрическими связями 14 подключен источник питания электроэнергией 15 - аккумулятор или электрическая сеть и монитор 16. На геофизическом кабеле 11 установлен датчик измерения длины кабеля 17.
Устройство содержит на поверхности 18 системный блок 13 и монитор 16 для осуществления контроля места положения генератора колебаний 8 и параметров процесса очистки и управления ими.
Для доставки забойной части устройства 6 и подачи электроэнергии в нее и снятия скважинных параметров используют геофизический кабель 11.
Наземное оборудование на поверхности 18 содержит катушку 12 с приводом 19 и выключателем привода 20, тормозом 21 и включателем тормоза 22. Выключатель привода 20 и включатель тормоза 22 соединены с котроллером управления 23. Устройство содержит верхний контроллер датчиков 24, к входу которого присоединен геофизический кабель 11, а к выходу системный блок 13.
Скважинная часть устройства 6 содержит блок щеток 25 и привод щеток 26, который валом привода 27 соединен с коническим редуктором 28 (фиг. 1…3).
Конический редуктор 28 имеет ведомый вал 29, соединенный с валом привода 27 и несколько ведомых валов 30, выполненных перпендикулярно оси скважинной части устройства 6. На ведущем валу 29 установлена ведущая шестерня 31, а на ведомых валах 30 - ведомые шестерни 32. Шестерни 31 и 32 выполнены коническими.
Щетки 33 содержат цилиндрическое основание 34 и стальную проволоку 35, в виде отрезков, а также кронштейны 36 с ребрами 37 и эллипсным отверстием 38 (фиг. 6 и 7).
Ведомые валы 30 имеют плоские держатели 39 с отверстиями 40 в них (фиг. 5). Через отверстия 38 и 40 проходят цилиндрические шарниры 41.
Герметичный корпус 7 заполнен смазывающей жидкостью. Внутри герметичного корпуса 7 выполнен компенсатор давления и температурного расширения 42 (фиг. 2…4). Компенсатор давления и температурного расширения 42 предназначен для компенсации разных коэффициентов температурного расширения металла, из которого выполнены корпуса, и смазывающей жидкости, а также предотвращения смятия герметичного корпуса высоким давлением, действующим в скважине. Гидростатическое давление в скважине может достигать, в зависимости от ее глубины, 60…80 МПа. Кроме того, компенсатор давления и температурного расширения 42 компенсирует расход смазывающей жидкости и предотвращает попадание компонентов окружающей среды в смазывающую жидкость.
Генератор колебаний 8 также установлен внутри герметичного корпуса 7. В качестве генератора колебаний 8 может быть использован ультразвуковой генератор, вибратор и т.д. К генератору колебаний 8 радиально подстыкованы акустические излучатели 43 (фиг. 1 и 2).
Устройство для очистки скважинного фильтра содержит (фиг. 2) скважинные датчики, в том числе датчик частоты вращения щеток 44, датчик амплитуды колебаний 45 и частоты колебания 46, соединенные со скважинным контроллером датчиков 47, установленным в герметичном корпусе 7 и соединенным с геофизическим кабелем 11.
В герметичном корпусе 7 также установлены скважинный контроллер управления 48, к которому подсоединены скважинные провода управления 49, а ко всей аппаратуре внутри скважинной части устройства 6 присоединены скважинные силовые кабели 50. Скважинные связи измерения 5 соединяют датчики 44…46 со скважинным контроллером датчиков 47 (фиг. 2).
Устройство может содержать блок фиксации 52 с фиксаторами 53, для временной фиксации внутри скважинного фильтра 2 (фиг. 2). Схема электрических соединений скважинной части устройства 6 приведена на фиг. 3.
К одному из портов системного блока 13 может быть подключен модем 54 соединенный с сетью Интернет 55 (фиг. 1) для дистанционного контроля и управления очисткой.
Работа устройства (фиг. 1…7).
После длительной эксплуатации скважины в результате кольматации скважинного фильтра 2 резко уменьшается дебит добываемого продукта. В обсадную колонну 1 (фиг. 1) спускают скважинную часть устройства 6 на геофизическом кабеле 11. Вертикальный участок скважины устройство проходит под действием силы тяжести, при этом геофизический кабель 11 разматывается с катушки 12, и датчик длины кабеля 17 определяет глубину, на которую спущен скважинная часть устройства 6. По горизонтальному участку скважины или по участку, имеющему уклон меньше чем 5…7 градусов, перемещение устройства без посторонних сил невозможно. Для этого могут быть использованы известные средства доставки, например, известные из пат. РФ №2392178, МПК Е21В 37/08, опубл. 27.09.2009 г.
При вхождении скважинной части устройства 6 (фиг. 2) внутрь скважинного фильтра 2 (первого из скважинных фильтров, если их установлено несколько), что определяется системным блоком 13 по показанию датчика измерения длины кабеля 17 с системного блока 13 через выключатель привода 20 отключат через включатель тормоза 22 включают тормоз 21 и одновременно включают блок фиксации 52 и выдвигают фиксаторы 53 для предотвращения дальнейшего перемещения скважинной части устройства 6 в процессе очистки текущего участка скважинного фильтра 2.
Включают генератор колебаний 8, который посредством акустических излучателей 43 направляет энергию акустических колебаний радиально по отношению к фильтрующему элементу 5. Акустическое или вибрационное воздействие на фильтрующий элемент 5 и вызывает отслоение твердых частиц, засоривших фильтрующие ячейки или щели.
Одновременно включают привод щеток 25 и задействуют все щетки 33 (фиг. 3 и 4). Щетки 33 (фиг. 4) совершают вращательное движение и возможно одновременно окружное возвратно-поступательное перемещение на угол:
ϕ=360°/n,
где n - число щеток.
Один участок скважинного фильтра 2 очищается, по команде с системного блока 13 расфиксируют фиксаторы 53 блока фиксации 52 и скважинная часть устройства 6 перемещается еще далее на небольшое расстояние для очистки следующего участка. Этот процесс повторяется многократно, и в итоге скважинный фильтр 2 полностью очищается.
Положение забойной части устройства 6 в скважине и привязку к интервалу установки скважинных фильтров 2 ориентировочно определяют при помощи датчика измерения длины кабеля 17.
Появилась возможность обеспечить оперативное полностью автоматизированное управление работой устройства для очистки скважинного фильтра, за счет изменения режимных параметров контролируемых датчиками 17, 44, 45 и 46 и по результатам контроля
Датчики 44, 46 и 46 передают информацию на скважинный контроллер датчиков 47 и далее по скважинной связи измерения 51 и геофизическому кабелю 11 на верхний контроллер датчиков 24 и далее - на системный блок 13.
Системный блок 13 вырабатывает и передает информацию на контроллер управления 23, и далее на выключатель привода 20, соединенный с приводом 19, для раскрутки катушки 12 с геофизическим кабелем 11, а к третьему - включатель тормоза 22, для включения или выключения тормоза 21 катушки 12 (фиг. 1).
Используя информацию, полученную с датчиков 44, 45 и 46 системный блок 13 по заранее заданной программе вырабатывает сигналы на коррекцию работы генератора колебаний 8 частоты и амплитуды колебаний) и привод щеток 26. Этот сигнал через контроллер управления 23 и геофизический кабель 11 подается в скважинный контроллер управления 48 и далее к генератору колебаний 8 и приводу щеток 26.
После проведения очистки с системного блока 13 отключают привод щеток 26 и генератор колебаний 8. Расфиксируют блок фиксации 52. Наматывая геофизический кабель 11 на катушку 12, извлекают скважинную часть устройства 6 из скважины. Скважину вновь вводят в эксплуатацию.
Доставка генератора колебаний 8 внутрь скважинного фильтра 2, установленного на горизонтальном участке скважины, может быть выполнена при помощи колонны НКТ (насосно-компрессорных труб) или транспортной колонны или помощи штанг (на фиг. 1…7 такие варианты не показаны.)
При необходимости информация по процессу очистки скважинного фильтра может быть передана через модем 54 (фиг. 1) с использованием сети «Интернет» 55 на значительное расстояние от скважины и использоваться для контроля процесса очистки или управления им.
Применение предложенного технического решения позволило:
1. Обеспечить полностью автоматизированную и качественную очистку скважинного фильтра от механических отложений, в том числе внутренних поверхностей за счет одновременного применения механической и виброакустической очистки.
2. Обеспечить точную доставку и передвижение скважинной части устройства в скважинном фильтре.
3. Предотвратить скручивание геофизического кабеля из-за вращения блока щеток за счет применения щеток установленных на ведомых валах радиально, и одновременно применения блока фиксации.
4. Обеспечить оперативное управление работой устройства для очистки скважинного фильтра, за счет контроля скважинных параметров и автоматического или ручного изменения режимных параметров блока щеток и генератора колебаний по частоте и амплитуде колебаний по результатам контроля забойных параметров на экране мониторе.