ЭЛЕКТРОДНАЯ СИСТЕМА СКВАЖИННОГО ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОГО УСТРОЙСТВА
ELECTRODE SYSTEM OF WELL ELECTRIC HYDRAULIC PULSE DEVICE

Изобретение относится к электрогидроимпульсным устройствам для воздействия на призабойную зону нефтегазоносных скважин с целью очистки зон перфорации, противопесчаных фильтров скважин и повышения проницаемости продуктивного пласта при добыче нефти, газа и воды, а также для воздействия через обсадную колонну на тампонажный раствор после окончания его продавки в заколонное пространство с целью повышения качества цементирования обсадной колонны в скважине.
Известны электродные системы электрогидравлических установок для дробления горных пород, состоящие из коаксиальных центрального анода, наружного катода и промежуточного изолятора (см. книгу Гаврилов Г.Н., Егоров А.Л., Коровин С.К. Электрогидроимпульсная технология в горном деле и строительстве, М., Недра, 1991, с.21-24, рис.15). Центральный анод имеет диаметр 8-12 мм и выполнен из вольфрама, молибдена, никеля или специальных эрозионно стойких материалов МКВ70НЗ, МВ70НЗ или АМВ30. Катод может представлять собой оплетку коаксиального кабеля, полую металлическую трубку или дно металлического бака. В качестве промежуточного изолятора, разделяющего анод и катод, наиболее часто применяют стеклопластики, полиэтилен, вакуумную резину и фторопласт. В качестве технологической жидкости используют техническую воду или неионизированные жидкости, такие как этанол, ацетон, глицерин.
При приложении высокого импульсного напряжения к промежутку анод - катод происходит пробой технологической жидкости, быстрое выделение энергии, запасенной в конденсаторах, образование плазменного канала и разогрев жидкости. Расширяющийся плазменный канал порождает волну сжатия или ударную волну, а возникающая позже парогазовая полость - гидродинамические возмущения в виде скоростного гидропотока. Эти два разрушающих фактора используются для направленного разрушения, дробления и переизмельчения горных пород и грунтов.
Недостатки известных электродных систем:
- конструкции и материалы электродных систем, особенно их изоляторы, непригодны для работы в условиях высоких температур и больших гидростатических давлений;
- амплитуда ударной волны сильно зависит от проводимости воды (в ней при измельчении горных пород растворяются соли калия и кальция, вследствие чего вода становится минерализованной и проводящей, электрический разряд становится объемным, как в жидкостном резисторе, а не нитевидным, соответственно, взрывного перегрева воды не происходит и ударная волна имеет малую амплитуду).
5
В качестве прототипа выбрана электродная система электрогидроимпульсного скважинного устройства по а.с. СССР №1457489, кл. МПК E21B 43/24, опубл. в БИ №37, 07.10.91, авторы Н.И.Кускова, Р.А.Максутов, П.П.Малюшевский, О.Н.Сизоненко, А.В.Соколов, В.И.Щекин, содержащая полый металлический корпус, заполненный диэлектрической жидкостью и выполненный с окнами, перекрытыми кольцевой эластичной мембраной, центральный положительный и отрицательный электроды, установленные друг против друга на оси корпуса. Положительный электрод выполнен трубчатой формы, например, в виде намотки ленты из эрозионно стойкого композиционного материала. Положительный электрод изолирован от корпуса с помощью трех коаксиальных изоляторов: одного основного изолятора и двух сменных изолирующих втулок. Отрицательный электрод имеет резьбовой хвостовик, завинчиваемый в корпус и контрящийся гайкой. Электродная система электрически связана с генератором импульсных токов.
В этой электродной системе, благодаря гидроизоляции диэлектрической жидкости от минерализованной скважинной жидкости с помощью резиновой мембраны, параметры электрического разряда и ударной волны остаются квазистатическими до тех пор, пока электрохимическая коррозия материала электродов не начнет повышать проводимость диэлектрической жидкости. Это обычно происходит, когда число разрядов превышает 1000.
К недостаткам электродной системы - прототипа, препятствующим получению требуемого технического результата, следует отнести то, что:
- еще до начала электрогидравлической обработки пласта, а именно, при спуске устройства на интервал перфорации резиновая мембрана, расположенная поверх корпуса электродной системы, может быть содрана с корпуса системы солевыми наростами и неоднородностями на стенках обсадной колонны и стыках муфт обсадной колонны;
- при электрогидравлической обработке интервала перфорации, для которого характерно наличие вокруг пулевых или кумулятивных отверстий острых кромок (своего рода кратеров) и вдоль которого скважинное электрогидроимпульсное устройство несколько раз перемещается и производит до 500 разрядов на один погонный метр интервала перфорации, изменяя при каждом разряде - ударе свое положение в стволе скважины, резиновая мембрана на электродной системе с высокой вероятностью может быть разрезана на вышеуказанных острых кромках.
В обоих случаях разгерметизация электродной системы приведет к тому, что минерализованная скважинная жидкость попадет в межэлектродный промежуток, электрический разряд поведет себя как ток в жидкостном резисторе и станет объемным, а не нитевидным, соответственно, взрывного перегрева воды не будет и ударная волна будет иметь малую амплитуду. В результате, интервал перфорации нефтяной скважины не будет очищен от солевых, асфальтосмолистых и парафиновых отложений.
Третьим недостатком прототипа является хаотичная ориентация ударной волны вследствие частого электрического пробоя на боковые ребра металлического корпуса электродной системы, а не на катод, соосный аноду. В результате этого снижается уровень ударного воздействия на продуктивный пласт, и увеличивается ударное действие на изолятор анода.
Задачей настоящего изобретения является повышение жизнеспособности и ресурса электродной системы скважинного электрогидроимпульсного устройства как при спуске в скважину, так и при работе на интервале перфорации.
Технический результат изобретения - повышение механической прочности и надежности электродной системы, а также улучшение условий формирования осевого канала разряда и цилиндрической ударной волны.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной электродной системе, содержащей полый металлический корпус, заполненный диэлектрической жидкостью и выполненный с окнами, перекрытыми кольцевой эластичной мембраной, центральный положительный электрод, изолированный от корпуса, и отрицательный электрод, соединенный с корпусом и установленный соосно положительному электроду, новым является то, что кольцевая эластичная мембрана установлена внутри полого корпуса.
Кроме того, эластичная мембрана с одной стороны (конца) плотно охватывает отрицательный электрод, с другой стороны (конца) - изолятор положительного электрода; эластичная мембрана выполнена из фторкаучука или фторэластомера.
Установка кольцевой эластичной мембраны внутри полого корпуса обеспечивает:
- механическую защиту кольцевой эластичной мембраны металлическим корпусом электродной системы (не резиновая мембрана, а металлический корпус системы теперь будет скользить по солевым наростам на стенках обсадной колонны, неоднородностям на стыках муфт в обсадной колонне и острым кромкам на краях пулевых и кумулятивных перфорационных отверстий). В результате ресурс работы и живучесть электродной системы возрастают.
- уменьшение до нуля числа электрических пробоев на боковую стенку металлического корпуса, формирование канала разряда по оси электродной системы и цилиндрической ударной волны, направленной в призабойную зону нефтяного пласта. Это обусловлено тем, что резиновая мембрана является хорошим диэлектриком и препятствует развитию лидеров и разрядов на боковую поверхность корпуса электродной системы. В результате этого ослабляется ударное воздействие на изолятор положительного электрода и возрастают скорость и эффективность очистки интервала перфорации от солевых, асфальтосмолистых и парафиновых отложений. В прототипе пробой начинается с положительного стержня образованием «куста» лидеров, которые, развиваясь, расходятся от острия анода преимущественно по радиальным направлениям, практически не ориентируясь на противолежащий катод, и устремляются к боковой поверхности корпуса. Соответственно в прототипе, в большинстве случаев, ударная волна направляется не в зону продуктивного пласта, а на анод и изолятор анода электродной системы, постепенно разрушая их.
На чертеже показана в разрезе предлагаемая электродная система скважинного электрогидроимпульсного устройства.
Электродная система содержит центральный положительный электрод 1, размещенный в изоляторе 2, отрицательный электрод 3, соединенный с полым металлическим корпусом 4. В корпусе 4, являющимся продолжением отрицательного электрода, выполнены окна 5, расположенные по периметру корпуса напротив межэлектродного промежутка Н. С внутренней стороны корпуса 4 установлена кольцевая эластичная мембрана 6. Мембрана 6 плотно обтягивает с одной стороны отрицательный электрод 3, с другой стороны - изолятор 2 положительного электрода 1. Отрицательный электрод 3 зафиксирован в корпусе 4 при помощи гайки 7 и колпачка 8. Изолятор 2 положительного электрода 1 зафиксирован в корпусе 4 при помощи металлического кольца 9 и загерметизирован от прорыва скважинной жидкости в сторону коммутатора при помощи кольцевых уплотнений 10.
Центральный положительный электрод 1 и отрицательный электрод 2 выполнены из металла с высокой стойкостью к электрохимической коррозии, например технической меди.
Мембрана 6 выполнена методом горячей вулканизации резиновой смеси марки Аф-15. Эта смесь приготовлена на основе фторэластомера типа Aflas и технического углерода и обладает уникальными свойствами: температурный предел эксплуатации от минус 35 до плюс 250°С, относительное удлинение до 200%, может работать в среде масел, топлив, пластовых жидкостей, алифатических углеводородов.
Внутренняя полость 11 электродной системы заполнена рабочей жидкостью в виде дистиллированной воды или раствора кальцинированной соды в воде с концентрацией 0,1-0,3 г/л.
Электродная система подключается через коммутатор к генератору импульсных токов скважинного электрогидроимпульсного устройства, спускаемого в скважину при помощи геофизического кабеля и запитываемого через него.
Электродная система работает следующим образом. При подаче высокого напряжения от генератора импульсных токов на положительный электрод 1 электрический разряд развивается с конца этого электрода в направлении на отрицательный электрод 3. Развитию лидеров на боковую поверхность корпуса 4 электродной системы препятствует резиновая мембрана 6, являющаяся хорошим диэлектриком. Ввод энергии в плазменный канал сопровождается быстрым разогревом рабочей жидкости и образованием в ней парогазового пузыря. Расширяющийся плазменный канал порождает волну сжатия или ударную волну, а парогазовая полость - гидродинамические возмущения в виде скоростного гидропотока. Ударная волна распространяется в радиальном направлении симметрично относительно канала разряда (оси электродной системы и оси нефтяной скважины) сначала по рабочей жидкости, поступает далее на стенку обсадной колонны нефтяной скважины и с затуханием уходит во внешнюю геологическую среду. Расширяющаяся парогазовая полость вызывает, в свою очередь, перемещение жидкости в полости 11 электродной системы и за ее пределами - в стволе обсадной колонны нефтяной скважины и призабойной зоне скважины, так как эластичная мембрана 6 практически не влияет на гидродинамические процессы. Многократное повторение до 200-500 разрядов - электрогидравлических ударов на погонный метр интервала перфорации приводит к очистке его от солевых, асфальтосмолистых и парафиновых отложений и повышению дебита нефтяной скважины.
Таким образом, внутреннее расположение эластичной мембраны улучшает условия формирования центрального канала разряда и цилиндрической ударной волны, а также обеспечивает механическую защиту мембраны при перемещении электродной системы по наростам солевых отложений и острым кромкам перфорационных отверстий на обсадной колонне нефтяной скважины. Подобранный материал мембраны обеспечивает ее живучесть в агрессивной среде и жестких условиях эксплуатации.