Устройство и способ для гидродинамической очистки поверхностей оборудования, деталей и интервалов перфорации в скважине
DEVICE AND METHOD FOR HYDRODYNAMIC PURIFICATION OF SURFACES OF EQUIPMENT, PARTS, AND INTERVALS IN PERFORATION IN WELL

Изобретение относится к технологиям гидродинамической очистки поверхностей оборудования, деталей, интервалов перфорации скважин от природных и техногенных загрязнений.
Известно изобретение (патент РФ RU 2123957, 18.06.1998) «Способ подводной гидродинамической очистки корпусов судов и устройство для его осуществления». Сущность способа очистки состоит в том, что условие возникновения кавитации в зоне очистки обеспечивают одновременным воздействием на эту поверхность струи воды и акустического излучения. Это излучение получают от акустического генератора. Последний размещают внутри рабочего органа. Этот генератор работает на энергии динамического напора самой струи. Струей воды воздействуют на очищаемую поверхность под углом не более 45°. Насадка для очистки имеет проточный канал и профиль. Последний образован соосно расположенным и последовательно сопряженным друг с другом входным конфузором, цилиндрической и выходной частями. Цилиндрическая часть выполнена в виде резонансной камеры. А входная часть - в виде упора. Диаметр камеры больше диаметра выходного отверстия конфузора и входного отверстия выходной части. Стенки камеры образуют с выходным отверстием конфузора и входным отверстием рупора соответственно входное и выходное сопла камеры. Она вместе с соплами образует акустический генератор. Разность диаметров сопел не более 0,3 от длины камеры. Диаметр выходного отверстия рупора не менее 0,04 длины волны основной частоты камеры. Конфузор имеет угол конусности от 10° до 20°.
Акустическое воздействие в известном устройстве генерируется достаточно хорошо, однако не возникает эрозионная способность потока по причине отсутствия активного кавитационного эффекта, так как на входе в резонансную камеру поток не разрывается, а наоборот успокаивается благодаря коноидальному сужению. При реализации способа отсутствуют знакопеременные нагрузки, обеспечивающие малоцикловое усталостное разрушение и возникающие, например, при перемещении устройства возвратно-поступательно или при его вращении. Кроме того, способ предназначен для подводной очистки, применение его в воздушной среде или в скважинных условиях (в условиях противодавлений порядка 30 МПа) не обосновано не теоретически ни экспериментально.
Известно изобретение «Устройство и способ для гидродинамической очистки поверхностей на основе микрогидроударного эффекта» (патент РФ 2641277, опубл. 16.01.2018), рассматриваемое авторами как наиболее близкий аналог. Насадка для гидродинамической очистки представляет собой проточный канал с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно сопряженными друг с другом входным конфузором, резонансной камерой и диффузором. Конфузор и диффузор соединены резонансной камерой в виде переходного выступа. Отношение площади выходного сечения конфузора к площади сечения отверстия резонансной камеры, образующей переходной выступ, составляет 1,5-8,97. Диффузор может содержать устройство дополнительной подачи жидкости, газа или твердых частиц. Конфузор имеет, наиболее предпочтительно, коническую форму и угол конусности, наиболее предпочтительно 10-20°. Диффузор имеет, наиболее предпочтительно, коническую форму и угол конусности, наиболее предпочтительно 15-70°. Способ гидродинамической очистки заключается в воздействии на очищаемую поверхность струей жидкости под давлением, вытекающей из насадки рабочего органа, при этом струя жидкости вытекает под углом 5-90° к очищаемой поверхности на расстоянии 5-1000 мм от насадки до очищаемой поверхности. Технический результат: высокопроизводительная устойчивая и достаточная для практических задач кавитация при возможно более малых давлениях и расходах для очистки поверхностей от техногенных и природных загрязнений как в жидкой, так и в воздушной среде.
Недостатками устройства по прототипу являются: диффузор на входе не эффективен для разрыва потока, так как служит успокоителем. При этом, как следствие, недостаточно развивается кавитация: менее выражены колебания давления, эрозии и другие проявления. Кроме того, способ направлен на очистку в поверхностных условиях, преимущественно в воздушной среде, и нет информации о реализации способа для истечения жидкости с среду с противодавлением порядка 30МПа, например, для скважинных условий. Исходя из описания сущности изобретения воздействие струи на очищаемую поверхность осуществляется постоянно под углом 5-90°, при этом эффективность очистки оценивают по интенсивности вибрации насадки, что недостаточно с практической точки зрения, когда для достижения результатов необходимо оценивать скорость удаления отложений, их разрушения и измельчения.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства и способа для генерирования гидроимпульсного истечения, сопровождающегося микровзрывами всхлопывающихся кавитационных каверн с высвобождающимся давлением более 100 МПа, при давлениях на входе в устройство для гидродинамической очистки от 5 до 60 МПа для очистки поверхности оборудования от техногенных и природных загрязнений на поверхности и в скважинных условиях.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение скорости удаления отложений с поверхностей оборудования, деталей при сохранении очищаемой поверхности не поврежденной и не деформированной, а также с интервала перфорации скважин в условиях высокого противодавления.
Технический результат достигается за счет использования устройства для гидродинамической очистки, содержащего проточный канал с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно сопряженными друг с другом участками: цилиндрическим участком, сферическим участком, участком острая кромка и конически расходящимся участком с углом конусности 13-14°, а также способа гидродинамической очистки поверхностей оборудования, деталей и интервалов перфорации в скважине, заключающегося в воздействии на очищаемую поверхность струей жидкости под давлением, вытекающей в жидкостной или газовой среде, из устройства для гидродинамической очистки. При этом устройство перемещают для создания струей жидкости чередующихся знакопеременных гидродинамических нагрузок на очищаемую поверхность: в случае очистки интервалов перфорации в скважине устройство вращают внутри скважины с перфорационными каналами с отложениями, в случае очистки поверхностей деталей, оборудования устройство перемещают возвратно-поступательно вдоль очищаемой поверхности, при этом устройство расположено под углом 60-80° к очищаемой поверхности.
Предлагаемая конструкция устройства для гидродинамической очистки обеспечивает возрастание текущих местных скоростей в потоке рабочей жидкости из-за столкновения с искривляющейся поверхностью проточного канала, что приводит к возникновению гидродинамического кавитационного эффекта. При этом угол конусности конически расходящегося участка проточного канала обеспечивает максимальное генерирование парогазовых каверн и наибольшую протяженность кавитационной эрозии. Максимальные давления, генерируемые при схлопывании кумулятивной гидроструйки, достигают величины более 100 МПа, что достаточно для разрушения высокопрочных отложений на интервалах перфорации скважин или загрязненных поверхностях.
Предлагаемое устройство для гидродинамической очистки, в отличие от устройств аналога, прототипа, известных сопла Лаваля, трубки Вентури, кавитатора Родионова и пр., обеспечивает более высокую степень генерирования кавитации (нарушение сплошности среды) в высокоскоростных струйных потоках за счет наличия цилиндрического участка, в котором поток достигает максимальной скорости, и острой кромки, которая рвет поток, впоследствии поступающий в конфузор, в котором скорость потока падает, давление увеличивается, и сплошность потока нарушается еще больше: образуются каверны, заполненные газом и паром. В результате обеспечивается более эффективное диспергирование потока, кавитация проявляется при меньших перепадах давления и сопровождается более выраженными колебаниями давления, эрозией и другими проявлениями.
Динамическое воздействие струи жидкости создает в пористом и трещиноватом материале отложений повышенное давление в месте воздействия. При этом наличие кавитации и сопутствующих ей вторичных признаков (импульсы, колебания, микровзрывы), а также чередование знакопеременных нагрузок, возникающих при перемещении устройства для гидродинамической очистки возвратно-поступательно или при его вращении, ведет к малоцикловому усталостному разрушению отложений.
При реализации способа гидродинамической очистки перфорационных каналов с отложениями чередование знакопеременных нагрузок вследствие вращения ротора с установленным устройством для гидродинамической очистки приводит к импульсному повышению давления в перфорационных каналах, в результате чего они эффективно очищаются от кольматантов за счет формирования и поддержании гидродинамического напора, а также явления кавитации и сопутствующих ей вторичных признаков.
При очистке поверхности оборудования с отложениями оптимальный угол наклона устройства в 60-80° к очищаемой поверхности в сочетании с генерируемым кавитационным истечением и чередованием знакопеременных нагрузок приводит к разрушению материала отложений на границе контакта «отложения-очищаемая поверхность». В результате энергия не тратится на дробление (измельчение) отложений, они удаляются крупными конгломератами (пластинами). Если угол расположения устройства к поверхности более 80°, то такой процесс приводит к необходимости дробления отложений, т.е. не происходит эффекта счищения (снятия) отложений, угол менее 60° приводит к снижению эффективности очистки, а именно скорости удаления отложений.
На Фиг. 1 представлен общий вид устройства для гидродинамической очистки, на Фиг. 2 - схема реализации способа при очистке перфорационного канала с отложениями в скважине, на Фиг. 3 - схема реализации способа при очистке поверхности оборудования с отложениями.
0
1
0
вх
0
0
2
0
3
0
Устройство для гидродинамической очистки (фиг. 1) содержит проточный канал с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно сопряженными друг с другом цилиндрическим участком 1, сферическим участком 2, участком острой кромки 3 и конически расходящимся участком 4. В результате проведенных исследований были получены оптимальные геометрические конструкции составных участков проточного канала, отношение их длин и диаметров для генерирования устойчивой интенсивной кавитации внутри выходящей струи рабочей жидкости при достаточно малом перепаде давления. В соответствии с расчетами, участок острой кромки 3 имеет диаметр d, цилиндрический участок 1 выполнен длиной L=(7-8)d и диаметром D=(5-6)d, сферический участок 2 имеет радиус округления R=(1-2)d и длину L=(2-2,5)d, а конически расходящийся участок 4 выполнен длиной L=(20-25)d с углом конусности α=13-14°.
0
вх
Поток рабочей жидкости, проходя цилиндрический участок 1 устройства для гидродинамической очистки находится под действием центростремительной силы со стороны внутренней стенки в связи с возрастающей кривизной сферического участка 2, в любом осевом продольном сечении проточного канала 1 приобретает вращательное движение в направлении к входу в участок острой кромки 3, образуя завихрения. Так как d<D, то участок 3 не способен пропустить всю жидкость так же быстро, как она поступает на вход цилиндрического участка 1 устройства, поэтому вследствие возрастания текущих местных скоростей в ее потоке из-за столкновения с искривляющейся поверхностью и возникает гидродинамический кавитационный эффект, приводящий к насыщению жидкости пузырьками газа (пара) и усилению ее мелкодисперсности. В конически расходящемся участке 4 происходит формирование факела струи с всхлопывающимися кавитационными кавернами на выходе из предлагаемого устройства. Именно угол конусности 13-14° конически расходящегося участка 4 обеспечивает максимальное генерирование парогазовых каверн и наибольшую протяженность кавитационной эрозии (схлопывания каверн). Максимальные давления, генерируемые при схлопывании кумулятивной гидроструйки, достигают величины более 100 МПа, что достаточно для разрушения высокопрочных отложений на интервалах перфорации скважин или загрязненных поверхностях.
Экспериментально установлено, что предлагаемая конструкция устройства для гидродинамической очистки обеспечивает генерирование кавитации при минимальном перепаде давления в 0,08 МПа (при t рабочей жидкости 15°C и ее истечении в полость с противодавлением 0,001 МПа), что фиксируется визуально образованием отдельных кавитационных парогазовых каверн и сопровождается акустическими колебаниями (шумом). При большем перепаде давления (ΔР=1,5-2 МПа) образуется устойчивая кавитационная полость.
Для гидродинамической очистки скважины 5 с интервалом перфорации эксплуатационной колонны 6 в ротор 7 устанавливают устройство для гидродинамической очистки 8 и спускают до перфорационного канала с отложениями 9 (фиг. 2).
Для гидродинамической очистки поверхности оборудования или деталей в жидкостной или газовой среде устройство для гидродинамической очистки 8 устанавливают в штанге высокого давления 10 под углом 60-80° к поверхности очищаемого оборудования с отложениями 11 (фиг. 3).
Реализация способа гидродинамической очистки перфорационных каналов с отложениями.
При реализации способа гидродинамической очистки перфорационных каналов с отложениями (фиг. 2) по меньшей мере одно (оптимально 3-5) вышеописанное устройство для гидродинамической очистки 8 устанавливают в ротор 7, затем спускают до перфорационного канала с отложениями 9 в интервале перфорации эксплуатационной колонны 6 скважины 5, после чего поверхностным насосом через насосно-компрессорные трубы (на фиг. 2 не показаны) подают рабочую жидкость в устройство для гидродинамической очистки 8 под рабочим давлением 5-60 МПа. Поток рабочей жидкости, последовательно проходя участки вышеописанного устройства для гидродинамической очистки, генерирует гидродинамический кавитационный эффект с образованием парогазовых каверн и кавитационной эрозии как описано выше.
Ротор 7 вращают по оси эксплуатационной колонны 6 внутри скважины 5 с угловой скоростью ω=200-800 об/мин, причем при совпадении оси устройства для гидродинамической очистки 8 и оси перфорационного канала с отложениями 9 создается импульсное повышение давления в перфорационных каналах, которое складывается из двух величин: близкого к статическим условиям давления, образующегося в тупике при истечении высоконапорной жидкости в него, и ударного повышения давления за счет чередования положительных и отрицательных гидроударов (при чередовании совпадения осей предлагаемого устройства 8 и перфорационного канала с отложениями 9). В результате перфорационные каналы 9 эффективно очищаются от кольматантов за счет формирования и поддержания гидродинамического напора, чередования знакопеременных гидродинамических нагрузок, а также явления кавитации и сопутствующих ему вторичных признаков: импульсы, колебания, микровзрывы. Кроме того, генерируемые колебания оказывают воздействие на призабойную зону пласта с флюидом, тем самым интенсифицируя добычу пластовых флюидов.
0
3
Выполненные аналитические расчеты чередующегося ударного повышения давления с учетом фактического времени положительного и отрицательного гидроудара при диаметре перфорационного канала dпк=10 мм, диаметре участка острой кромки d=3 мм, расходе жидкости через устройство для гидродинамической очистки 3 л/с, толщине стенки пород вокруг канала, подвергающейся упругим деформациям - 6 мм, плотности рабочей жидкости 1000 кг/м, расстоянии от среза устройства для гидродинамической очистки до входа в перфорационный канал δ=15 мм и частоте вращения роторного устройства 200-800 об/мин показывают достижение амплитуды колебаний давления 0,4-1,6 МПа при частотах 6,5-27 Гц, что вполне достаточно для генерирования виброволнового воздействия в скважинных условиях и «отклика» пластовых структур.
Осуществление изобретения при очистке поверхности оборудования с отложениями.
Для гидродинамической очистки поверхности оборудования или деталей в жидкостной или газовой среде (фиг. 3) устройство 8 устанавливают в штанге высокого давления 10 и располагают под углом 60-80° к поверхности очищаемого оборудования с отложениями 11 на расстоянии δ=15-50 мм от устройства до очищаемой поверхности, затем воздействуют на очищаемую поверхность струей жидкости под давлением 5-60 МПа перед входом в устройство 8. При этом штангу высокого давления 10 перемещают возвратно-поступательно вдоль очищаемой поверхности с отложениями 11 со скоростью U 0,1-0,2 м/с, сохраняя угол наклона устройства для гидродинамической очистки 8 к поверхности 11 и создавая таким образом чередование знакопеременных гидродинамических нагрузок.
Поток рабочей жидкости, последовательно проходя участки вышеописанного устройства для гидродинамической очистки генерирует гидродинамический кавитационный эффект с образованием парогазовых каверн и кавитационной эрозии как описано выше.
Динамическое воздействие струи рабочей жидкости из устройства для гидродинамической очистки создает в пористом и трещиноватом материале отложений повышенное давление в той части, куда воздействует струя жидкости. Наличие кавитации, колебаний и чередования знакопеременных гидродинамических нагрузок (чередование наличия/отсутствия воздействия при перемещении возвратно-поступательно штанги высокого давления 10) в трещиноватых отложениях ведет к их малоцикловому усталостному разрушению.
Оптимальный угол наклона устройства 60-80° к очищаемой поверхности в сочетании с колебаниями (чередованиями) приводит к разрушению материала отложений на границе контакта «отложения-очищаемая поверхность». В результате энергия потока рабочей жидкости не тратится на дробление отложений, они удаляются крупными конгломератами (пластинами). Если угол расположения устройства к поверхности более 80°, то такой процесс приводит к необходимости дробления отложений, т.е. не происходит эффекта счищения (снятия) отложений, угол менее 60° приводит к снижению эффективности очистки, а именно скорости удаления отложений.
Под действием потока рабочей жидкости при оптимальном угле наклона и чередовании знакопеременных нагрузок разрушаются даже трудноудаляемые отложения. При этом сама очищаемая поверхность остается не поврежденной и не деформированной.
Оценка влияния величины давления на входе в предлагаемое устройство на скорость очистки осуществлялась исходя из идентичной мощности, т.е. с увеличением давления снижался расход рабочей жидкости, использовались насадки с меньшим сечением. Исследования проводились при очистке от различных отложений: сцементированных глинисто-песчаных пробок, асфальтеносмолопарафиновых отложений (АСПО), отложений солей и продуктов коррозии.
Установлено, что при давлении 5,0-20,0 МПа происходит эффективное разрушение сцементированных глинисто-песчаных и проппантовых пробок; при давлении 20,0-30,0 МПа очищаются скважины и оборудование с отложениями АСПО, а также комплексные отложения солей и АСПО с низкой прочностью и адгезией отложений. В наземных и скважинных условиях происходила эффективная очистка насосно-компрессорных труб от АСПО, занимающих более 60% сечения трубы. При увеличении давления до 60,0 МПа удалялись солевые и органические отложения любой прочности и адгезии, в том числе радиобариты.
Таким образом, предлагаемое устройство и способ гидродинамической очистки позволяют эффективно очищать загрязненные интервалы перфорации скважин, поверхности оборудования и деталей за счет повышения скорости удаления отложений, при этом не нарушая целостность очищаемой поверхности.