СТЕНД ДЛЯ ЭЛЕКТРО-ТЕРМО-БАРОИСПЫТАНИЙ УЗЛОВ СКВАЖИННЫХ ПРИБОРОВ
BENCH FOR ELECTRIC, THERMAL AND BARO TESTING OF DOWNHOLE DEVICES UNITS

Изобретение относится к измерительно-испытательной технике и может быть использовано для исследовании характеристик электрогидродинамических процессов, происходящих в скважинных жидкостях и химреагентах под воздействием электрических разрядов, а также для функционального контроля и испытаний на термо-, электро-, баро- и коррозионностойкость электродных систем скважинных электрогидравлических аппаратов.
o
o
o
Известна установка для оптических исследований переходного слоя плазма-жидкость при импульсном коронном разряде в сильных водных электролитах (см. статью: Л.З.Богуславский, С.А.Хайнатцкий, А.Н.Щербак. Оптические исследования переходного слоя плазма-жидкость при импульсном коронном разряде в сильных водных электролитах // ЖТФ, 2001, том.71, вып.2, с.43-47, рис.1). Установка состоит из двух основных частей: электрофизической и оптической. Электрофизическая часть представляет собой емкостной накопитель (с параметрами U=10 kV, C=3…6 µF, L=2.4 µH) и разрядную камеру. Разряд осуществляют в разрядной камере в форме параллелепипеда размером 240×480×390 mm с тремя иллюминаторами, изготовленными из полированного оргстекла высокой прозрачности. Один из иллюминаторов размещен перпендикулярно стержневому электроду для избежания расфокусировки оптической схемы при спектральных исследованиях во время эволюции плазменного образования. Материал камеры - нержавеющая сталь X18P9T. На фланце боковой стенки камеры установлен стержневой электрод из латуни с полиэтиленовой изоляцией, радиус закругления острия r=1.5 mm. Отрицательным электродом служат стенки разрядной камеры. В качестве электролита используется оптически прозрачный раствор NaCl в дистиллированной воде, который предварительно отстаивают и фильтруют. Концентрация соли в электролите варьируется в зависимости от необходимой электропроводности электролита (в данной работе σ=10 S/m). Разрядный ток и напряжение на разрядном промежутке регистрируется на осциллографе C8-17 с помощью коаксиального шунта и емкостного делителя напряжений.
Оптическая часть установки состоит из спектральной и теневой частей. Оптическое излучение плазменного образования с помощью поворотного зеркала и промежуточного кварцевого объектива - ахромата (⌀75 mm) фокусируют на входной щели дифракционного спектрографа ДФС-452. Данный спектрограф позволяет регистрировать с высоким разрешением спектры излучения в диапазоне 190…1100 mm. В настоящей работе использовали встроенную дифракционную решетку 600 штрихов/mm с максимумом концентрации энергии на длине волны 500 nm. В этом случае на фотопленке укладывается интервал длин волн до 360 nm, что удобно для получения обзорных спектров излучения малоизученных объектов. Для отождествления исследуемого спектра используют стандартный источник возбуждения спектров ИВС-28, в разрядной камере которого возбуждается хорошо известный спектр алюминия. С помощью съемного поворотного зеркала и промежуточного объектива спектр алюминия фокусируют на входной щели спектрографа и регистрируют на свободном участке фотопленки параллельно исследуемому спектру. Взаимное расположение исследуемого и эталонного спектра обеспечивают специальным механизмом перемещения кассеты.
Недостатки известной установки:
- она позволяет проводить исследования только импульсного коронного разряда, только в сильных электролитах и только в лабораторных (наземных) условиях, которые по температуре и давлению коренным образом отличаются от условий эксплуатации скважинных электроразрядных аппаратов;
- в непроводящих скважинных жидкостях типа товарной нефти и химреагентах на углеводородной основе установка не позволяет организовать электрический пробой.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является стенд для электро-термо- и бароиспытаний электрических узлов приборов, в частности кабелей, используемых в скважинах (см. описание к патенту РФ №2279102, МПК G01R 31/12, опубл. 27.06.2006 г.), выбранный в качестве прототипа по наибольшему количеству сходных признаков. Стенд содержит источник электропитания, установленный с возможностью соединения с испытываемым узлом, блок электрических измерителей и испытательную камеру высокого давления, ограниченную с торцов герметизирующими узлами с уплотнительными элементами, контактирующими с внутренней поверхностью камеры, внутренняя полость которой через канал и систему трубопроводов соединена с источником давления (в качестве которого может быть использован, например, насос высокого давления), датчиком регистрации статического давления (например, манометр с регистратором) и приемно-расходной емкостью (герметизированной или негерметизированной) с рабочей средой для обеспечения приращения давления (например, индустриальным маслом), при этом в одном из герметизирующих узлов выполнено отверстие для пропускания и закрепления испытываемого узла - кабеля. Герметизирующий узел выполнен в виде установленных с возможностью их взаимодействия герметизирующего сальника в виде усеченного составного конуса или составного цилиндра и прижимного элемента, например, в виде механического механизма перемещения. Герметизирующий сальник может быть выполнен из упругодеформируемого материала, например из резины, а также может быть выполнен разъемным (со шлицами и/или без них) для удобства использования стенда в промысловых условиях или неразъемным. Прижимной элемент служит для обеспечения упругого деформирования герметизирующего сальника и создания герметичности в камере высокого давления в ходе проведения испытаний.
Внутренняя полость камеры высокого давления заполнена агрессивной средой, соответствующей условиям эксплуатации кабеля в скважине, или средой, указанной в методике испытания кабеля. Кроме того, в боковой стенке камеры высокого давления выполнены отверстие для стравливания воздуха и канал, посредством которого внутренняя полость камеры одним трубопроводом, снабженным вентилем, соединена с источником давления, другим трубопроводом - с датчиком регистрации давления и третьим трубопроводом, снабженным вентилем, - с приемно-расходной емкостью, которая, в свою очередь, четвертым трубопроводом с вентилем сообщена с рабочей полостью источника давления.
Стенд также снабжен блоком электрических измерителей, который соединен с корпусом камеры высокого давления, с выходом регулируемого источника тока, к которому подключены жилы кабеля (жилы кабеля образуют замкнутую электрическую цепь), с измерителем температуры агрессивной среды в камере высокого давления.
В свою очередь блок электрических измерителей также соединен с узлом автоматического отключения блока электрических измерителей, с блоком исполнительных программ (программируемый контроллер), который через коммутатор соединен с электронагревателем, узлом охлаждения, регулируемым источником тока.
Для поддержания заданных температурных параметров камера дополнительно снабжена электронагревателем и/или узлом охлаждения, подключенным к средству измерения температуры. Кроме того, нагрев жил кабеля до температуры эксплуатации кабеля производится от регулируемого источника тока при числе жил кабеля более одной.
В процессе испытания ведется непрерывный контроль за температурой среды и контроль за прочностью изоляции кабеля при помощи блока электрических измерителей, который снабжен узлом автоматического отключения регулируемого источника тока электронагревателя и узла охлаждения в случае электрического пробоя.
К недостаткам известного стенда-прототипа можно отнести то, что стенд имеет ограниченные функциональные возможности, хотя испытания приближены к условиям работы в скважине. При проведении электроиспытаний с помощью известного стенда можно осуществлять контроль только сопротивления изоляции кабеля и величину тока утечки в нем при нарастании давления и температуры и нельзя осуществлять функциональные исследования и граничные испытания электродных систем скважинных электрогидравлических аппаратов, которые в совокупности с электроиспытаниями позволяют скорректировать по данным испытаний электрические и конструктивные характеристики электродных систем и аппаратов в целом.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечение возможности проведения электро-термо- и баро- (гидравлических) испытаний, а также функциональных и граничных испытаний электродных систем скважинных электрогидравлических аппаратов в условиях, приближенных к скважинным (пластовым), а для персонала - в удобных и безопасных наземных условиях.
Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей испытательного стенда и повышение точности и достоверности электро-термо- и бароиспытаний электродных систем скважинных электрогидравлических аппаратов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном стенде для электро-термо- и бароиспытаний узлов скважинных приборов, включающем источник электропитания, установленный с возможностью соединения с испытываемым узлом, блок электрических измерителей и испытательную камеру высокого давления, ограниченную с торцов герметизирующими узлами с уплотнительными элементами, контактирующими с внутренней поверхностью камеры, внутренняя полость которой через канал и систему трубопроводов соединена с источником давления, датчиком регистрации статического давления и емкостью с рабочей средой, при этом в одном из герметизирующих узлов выполнено отверстие для пропускания и закрепления испытываемого узла, новым является то, что в качестве источника электропитания использован генератор высокого постоянного или импульсного напряжения, герметизирующие узлы выполнены металлическими в виде единого конструктивного элемента с крепежными элементами на торцевой поверхности и уплотнительными элементами, размещенными по боковой поверхности той части герметизирующего узла, которой он входит в полость камеры, каналы для соединения полости камеры с системой трубопроводов выполнены на другом герметизирующем узле, а блок электрических измерителей дополнительно содержит емкостной или омический делитель напряжения, пояс Роговского и датчики импульсного давления, стенка камеры в центральной части выполнена утолщенной со встроенными смотровыми окнами из броне- или оптического стекла и отверстиями для установки датчиков импульсного давления.
В качестве генератора высокого импульсного напряжения может быть использован скважинный электроразрядный аппарат.
Камера может быть снабжена системой импульсной подсветки внутренней полости камеры и системами скоростной видео, теневой и спектральной фотосъемки электрогидродинамических процессов внутри камеры.
Использование в качестве источника электропитания генератора высокого постоянного или импульсного напряжения позволяет дополнительно проводить испытания на ударную прочность, исследовательские, функциональные и граничные испытания электродных систем скважинных электрогидравлических аппаратов, причем в условиях, имитирующих скважинные. Это соответствует требованиям национального стандарта (см. ГОСТ 16504-81 «Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения») и обеспечивает повышение качества и надежности скважинных электроразрядных аппаратов.
Выполнение герметизирующих узлов металлическими в виде единого конструктивного элемента с крепежными элементами на торцевой поверхности позволяет повысить баропрочность камеры и соответственно расширить диапазон рабочих давлений.
Размещение уплотнительных элементов по боковой поверхности той части герметизирующего узла, которой он входит в полость камеры, позволяет снять ограничения на размеры испытательной камеры и исключить течь рабочей жидкости из камеры даже при неравномерном усилии прижатия герметизирующих узлов (крышки и днища камеры) к корпусу камеры.
Выполнение каналов для соединения полости камеры с системой трубопроводов на герметизирующем узле, противоположном герметизирующему узлу с зафиксированным испытываемым узлом, позволяет оптимизировать компоновочное решение, облегчает доступ к смотровым окнам и упрощает обслуживание стенда.
Включение в блок электрических измерителей емкостного или омического делителя напряжения, пояса Роговского и датчиков импульсного давления позволяет:
а) получить научную информацию об электрических и гидродинамических параметрах и особенностях электрического разряда в различного типа скважинных жидкостях;
б) скорректировать электрические и конструктивные характеристики скважинного электрогидравлического аппарата и приспособить его к работе в условиях высоких гидростатических давлений и агрессивности пластовой жидкости;
в) измерять импульсное давление на внутренней стенке камеры при электрических разрядах в камере и по нему судить о величине возможного давления на стенке обсадной колонны нефтяной скважины.
Кроме того, изучение электрических и гидродинамических характеристик высоковольтного электрического разряда в химических реагентах и смесях, которые используются для повышения нефтеотдачи пластов, позволят создать по факторам воздействия на призабойную зону пласта комплексную, а по положительному эффекту синергетическую: ударно-волновую (дробящую и расслаивающую горные породы и отложения) и химическую (растворяющую и отмывающую смолы и парафины) технологию очистки призабойной зоны добывающих и нагнетательных скважин.
Выполнение стенки камеры в центральной части утолщенной со встроенными смотровыми окнами из броне- или оптического стекла и отверстиями для установки датчиков импульсного давления позволяет:
а) повысить за счет утолщения - своего рода «пояса жесткости» и его центрального расположения баропрочность камеры как к действию высокого гидростатического (до 350 атм) давления, так и к действию высокого импульсного (до 1000 атм и более) давления, создаваемого мощным электрическим разрядом в скважинной жидкости или химреагенте;
б) осуществлять визуальный контроль за состоянием испытываемого узла - электродной электродной системы после каждого или после серии разрядов.
Использование в качестве генератора высокого импульсного напряжения скважинного электроразрядного (или электрогидравлического) аппарата позволяет во всех видах испытаний электродной системы (исследовательских, контрольных, сравнительных, доводочных, предварительных, приемо-сдаточных, аттестационных, сертификационных и др.) условия испытаний по рабочему напряжению и току, энерговыделению в канале разряда, параметрам ударной волны и скоростного гидропотока воспроизвести полностью. Соответственно, полученные при помощи скважинного электрогидравлического аппарата результаты испытаний электродной системы будут обладать высоким качеством и достоверностью.
Кроме того, при использовании в составе стенда скважинного электрогидравлического аппарата можно осуществлять чисто физические исследования, а именно измерения электрических, оптических и гидродинамических характеристик высоковольтного электрического разряда в различных по свойствам химических реагентах и смесях, которые используются для повышения нефтеотдачи пластов. С типовыми высоковольтными устройствами для электрических испытаний, например высоковольтной испытательной установкой PGK 50 австрийской фирмы BAUR или испытательным аппаратом AB-50/70 производства ООО «Сарпром-оборудование», этого сделать невозможно.
Снабжение стенда системой импульсной подсветки внутренней полости камеры, а также системами скоростной видео, теневой и спектральной фотосъемки электрогидродинамических процессов, происходящих внутри камеры, позволяет осуществить скоростное фотографирование начальных фаз развития электрических разрядов в скважинных жидкостях и электрогидродинамических процессов при разрядах в различных скважинных жидкостях и при различных давлениях во внутренней полости камеры и оценить влияние на эти процессы конструктивных параметров электродной системы, а также напряжения и энергии скважинного электрогидравлического аппарата.
На фиг.1 и 2 показаны продольный разрез и вид сверху испытательной камеры предлагаемого стенда для электро-термо- и гидравлических испытаний электродных систем скважинных электрогидравлических аппаратов. На фиг 3 показана фотография испытательной камеры высокого давления, на фиг.4 - фотография испытуемого узла - электродной системы скважинного электрогидравлического аппарата.
Стенд для электро-термо- и гидравлических испытаний электродных систем скважинных электрогидравлических аппаратов включает в себя испытательную камеру высокого давления, источник электропитания, испытываемый узел -электродную систему скважинного электроразрядного аппарата и две системы измерений: электрическую и оптическую.
Испытательная камера состоит (см. фиг.1 и 2) из цилиндрического корпуса 1 и торцевых фланцев, к которым прикреплены герметизирующие узлы - крышка 2 и днище 3. Исходя из требований технического задания и инженерного расчета корпус 1 камеры изготовлен из стали 12X18H10T с минимальной толщиной стенки 13 мм. В среднем сечении корпус 1 камеры имеет утолщение - «пояс жесткости», в котором выполнено четыре взаимно перпендикулярных отверстия диаметром 60 мм с крышками 4 и оптическими окнами 7.
Оптические окна 7 выполнены из ударопрочного бронированного или оптического стекла толщиной 25-30 мм. Крепление броне- или оптических стекол осуществляется прижимом через прокладки 5 из фторопласта. Герметизация оптических окон 7 относительно корпуса 1 обеспечивается двумя резиновыми кольцами 6.
В промежуточных сечениях «пояса жесткости», ориентированных под углом 45° к осям камеры, выполнены посадочные отверстия диаметром 14 мм, в которые установлены датчики импульсного давления PS02-01 производства компании GlobalTest (см. www.globaltest.ru).
Для обеспечения герметичности внутреннего объема камеры на герметизирующих узлах - крышке 2 и днище 3 установлены уплотнительные элементы 8 в виде трех резиновых колец. Крепление крышки и днища к корпусу камеры осуществляется с помощью шпилек 9 с резьбой M20×1,5.
На крышке 2 расположены два рым-болта 12 с резьбой M10, предназначенных для подъема камеры в вертикальном положении, а на фланцах корпуса 1 расположены два рым-болта 13 с резьбой M10, предназначенных для подъема камеры в горизонтальном положении.
На днище 3 расположен запорный вентиль 11 марки DIN 16272 и штуцер 14, к которым подведены трубопроводы высокого давления. Для создания высокого (до 300 атм) давления рабочей жидкости в камере используется ручной испытательный насос PEM600. В качестве рабочей жидкости используется техническая вода, или керосин, или раствор поваренной соли, или специальный химреагент, используемый в технологиях повышения нефтеотдачи пластов.
Предельные размеры испытательной камеры: диаметр 320 мм, высота 460 мм.
Для обеспечения возможности работы с камерой в горизонтальном или вертикальном положении в комплект ее оборудования включены подставка и ложемент.
Авторы спроектировали, изготовили и испытали опытный образец испытательной камеры высокого давления (см. фиг.3) на баропрочность и термическую стойкость. Испытательная камера выдержала внутреннее гидростатическое давление 350 атм и температуру +125°C.
В качестве испытываемого узла 15 используется электродная система скважинного электроразрядного аппарата «ЭРА-5». Электродная система 15 крепится на крышке 2 камеры с помощью шлицевой гайки 16, а герметизируется относительно крышки 2 с помощью резиновых уплотнений, расположенных в канавках корпуса электродной системы.
Электродная система выполнена по патенту РФ №2317413 (МПК E21B 43/24, опубл. 20.02.2008, бюл. №5, авторы Картелев А.Я., Сидоров А.А.) и содержит (см. фиг.4) положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, центральный токоподвод к положительному электроду, при этом отрицательный электрод соединен с дном корпуса, положительный электрод выполнен в форме массивного конуса, конус направлен вершиной к отрицательному электроду, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода и центральный токоподвод нанесено изолирующее покрытие, корпус системы выполнен с возможностью упора в него изолированного основания конуса положительного электрода. Межэлектродный промежуток электродной системы находится напротив броне- или оптических стекол. Диаметр электродной системы 102 мм, длина 400 мм.
В качестве источника электропитания при работе на стенде используются высоковольтные генераторы постоянного или импульсного напряжения, включая скважинный электроразрядный (электрогидравлический) аппарат. Функции генератора высокого постоянного напряжения могут выполнять высоковольтные устройства для испытания изоляции кабелей и твердых диэлектриков, а также высоковольтного оборудования, например: высоковольтная испытательная установка PGK 50 австрийской фирмы BAUR, которая формирует постоянное напряжение отрицательной или положительной полярности амплитудой до 50 кВ и выходным током до 25 мА и имеет выходной высоковольтный кабель длиной 4 м (см. www.mega-baur.ru), или испытательный аппарат АВ-50/70 производства ООО «Сарпром-оборудование» с максимумами рабочего выпрямленного напряжения 70 кВ и выходным током до 35 мА (см. www.sarprom.com). Эти установки компактны и имеют цифровые индикаторы значения испытательного напряжения и тока утечки.
В качестве генератора импульсного напряжения и тока рекомендуется использовать скважинный электрогидравлический аппарат «ЭРА-5», выполненный по патенту EA №010901 (название «Устройство для электрогидравлического воздействия на призабойную зону скважины», авторы Картелев А.Я. и др., МПК E21B 43/25, выдан 30.12.2008). Этот аппарат представляет собой многомодульную конструкцию, состоящую из зарядного блока, емкостного накопителя энергии, коммутатора и электродной системы. Каждый блок-модуль скважинного электрогидравлического аппарата имеет автономный металлический корпус с присоединительными резьбами на концах, изолированные токовыводы и двухуровневую гидроизоляцию от внешней среды: наружную в виде уплотняющих элементов на одном из концов корпусов модулей и внутреннюю в виде уплотняющих элементов на выходных изоляторах и токовыводах модулей.
Стенд дополнительно снабжен системой импульсной подсветки внутренней полости камеры и системами скоростной видео, теневой и спектральной фотосъемки за электрогидродинамическими процессами внутри камеры и датчиками импульсного давления.
Эти системы могут состоять из известных скоростных фоторегистраторов с вращающимся зеркалом СФР-1 производства Красногорского механического завода или более современной цифровой фотокамеры SensiCam Fast Shutter производства фирмы Kelheim (Германия) и импульсных ламп подсветки ИФК-100 или ксеноновой лампы ИСШ-400 (длительность вспышки 1 мкс). Эти системы позволяют вести наблюдение и теневую киносъемку разряда внутри испытательной камеры.
Для визуальной идентификации тонкого перехода плазма-жидкость на стенде может быть реализован принцип расфокусированной диафрагмы. В качестве источника света в этом случае может применяться импульсный рубиновый лазер типа ГОР-100М. Для увеличения размеров светового поля, в котором исследуются оптические неоднородности разряда в жидкости, между лазером и смотровыми окнами испытательной камеры может устанавливаться коллиматор, расширяющий пучок света до 50 мм в диаметре. По ходу оптического луча вслед на противоположной стороне испытательной камеры может быть установлен объектив приемной оптической части типа «Юпитер-36Б» (f=250 mm) или объектив типа «Калейнар-3Б» (f=150 mm). Назначение этого объектива - построение резкого изображения объекта, находящегося в предметной плоскости, на визуализирующем экране или кинопленке фоторегистратора. Применение вышеуказанных объективов в оптической схеме обусловлено значительными рабочими отрезками (≥74 mm), что существенно для метода расфокусированной диафрагмы с высокой разрешающей силой в центре поля (до 45 лин/мм).
-5
-4
-7
Для скоростной съемки в оптической схеме может быть установлен фоторегистратор типа ВФУ-1 с увеличивающими насадками (5- и 10-кратное увеличение) в режиме фотохронографа или «лупы времени». В общем оптическая схема наблюдений позволяет получить снимки начала формирования пробоя (короны разряда), канала разряда и парогазовой области с пространственным разрешением 10…10 m и с временным разрешением 5·10 с.
Системы скоростной видео, теневой и спектральной фотосъемки электрогидродинамических процессов внутри испытательной камеры могут быть смонтированы на двух отдельных оптических скамейках длиной примерно 1 м. Опоры оптических скамеек могут быть установлены на резиновые прокладки толщиной 100 мм. Испытательная камера может быть установлена на отдельной платформе, оснащенной амортизаторами, прикрепленной к полу лаборатории и механически развязанной от оптической схемы измерений во избежание разъюстировки последней при мощных электрогидравлических ударах (разрядах в камере).
На заявляемом стенде (в испытательной камере высокого давления) можно проводить (см. ГОСТ 16504-81 «Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения») несколько видов испытаний электродной системы аппарата «ЭРА-5»: а) испытания на термо- и баростойкость; б) испытания на коррозионностойскость; в) электрические испытания; г) испытания на ударную прочность; д) функциональные и граничные испытания, причем в условиях, имитирующих как наземные условия (при нормальном атмосферном давлении), так и скважинные, т.е. при высоких температуре и давлении. Кроме того, на стенде можно осуществлять чисто физические исследования, а именно измерения электрических, оптических и гидродинамических характеристик высоковольтного электрического разряда в различных по свойствам химических реагентах и смесях, которые используются для повышения нефтеотдачи пластов. Этих химреагентов в настоящее время в мире используется более 140 наименований, и в научной литературе отсутствуют данные по условиям инициирования и эффективности электрического разряда в химреагентах.
Вначале на стенде осуществляются подготовительные работы. Испытательная камера устанавливается на подставке (монтажном столике). Испытываемый узел 15 - электродная система с уплотнениями на корпусе опускается через отверстие на крышке 2 камеры внутрь камеры и закрепляется шлицевой гайкой 16 на крышке камеры так, чтобы центр электродной системы - ее рабочий межэлектродный промежуток находился напротив смотровых окон 7. Затем камера переворачивается вверх дном. При открытом вентиле 11 во внутренний объем камеры через штуцер 14 заливается рабочая жидкость. После заполнения камеры вентиль 11 перекрывается, штуцер 14 выкручивается и на его место устанавливается технологическая заглушка. Камера переворачивается обратно дном вниз и закрепляется на подставке (монтажном столике). К входу вентиля 11 подключается трубопровод высокого давления от ручного испытательного насоса высокого давления. С помощью ручного испытательного насоса и нейтральной жидкости с плотностью, близкой к плотности рабочей среды, в камере создается высокое давление, которое соответствует гидростатическому давлению в нефтяной скважине, например 200 или 300 атм. При этом следят за показаниями манометра и состоянием на входе электродной системы. После достижения заданного давления вентиль 11 перекрывается и от него отсоединяется трубопровод высокого давления.
Стадия термо-, баро- и коррозионных испытаний электродной системы 15 осуществляется следующим образом. При залитой и подогретой, например, до 60-100°C рабочей жидкости (сырой нефти, или углеводородном растворителе, или минерализованной пластовой воде) и избыточном гидростатическом давлении в камере, равном пластовому (например, 200-300 атм), с помощью манометра и термометра ведутся измерения давления и температуры в камере, а за входом электродной системы (ее центральным токоподводом и входным изолятором) осуществляется визуальный контроль. Каких-либо электрических присоединений к электродной системе на стадиях термических, гидравлических и коррозионных испытаний не осуществляется.
Если при бароиспытаниях электродной системы:
- давление стравливается (стрелка манометра падает вниз) и на изоляторе электродной системы со стороны центрального токоподвода появляется пена или жидкость, то это свидетельствует о разгерметизации электродной системы или, другими словами, о ее неработоспособности в условиях пластовых давлений;
- давление не спадает и на изоляторе электродной системы со стороны центрального токоподвода нет никаких признаков жидкости, то это свидетельствует о живучести (герметичности) электродной системы в условиях пластовых давлений. Соответственно, прорыва скважинной жидкости к остальным блокам-модулям аппарата не будет.
Если при термических испытаниях, например, при температуре 100°C в течение 24 часов или нескольких суток течи скважинной жидкости не наблюдается, и изоляторы электродной системы не теряют свою форму и цвет, и электрическое сопротивление изоляции не уменьшается до опасных пределов, то электродная система аппарата работоспособна в условиях высоких температур.
Стадия электрических испытаний электродной системы 15 осуществляется следующим образом. К центральному токоподводу и корпусу электродной системы подключается, например, высоковольтный испытательный аппарат АВ-50/70 производства ООО «Сарпром-оборудование» с выходным выпрямленным напряжением до 70 кВ и выходным током до 35 мА.
Если при подаче на центральный токоподвод электродной системы постоянного напряжения амплитудой, например, 35 кВ ток утечки не превышает одного миллиампера, то электродная система удовлетворяет требованиям по электропрочности (сопротивление изоляции электродной системы составляет не менее 30 МОм, а электрическая прочность не менее 35 кВ).
Испытания на ударную прочность; функциональные и граничные испытания электродной системы, а также чисто научные исследования и измерения электрических, оптических и гидродинамических характеристик высоковольтного электрического разряда в различных по свойствам химических реагентах и смесях, которые используются для повышения нефтеотдачи пластов, производятся при подключении к испытываемому узлу - электродной системе 15 специального измерительного переходника и скважинного электроразрядного (электрогидравлического) аппарата «ЭРА-5».
Специальный измерительный переходник выполнен по патенту РФ №2371729 (МПК G01R 19/00, опубл. 27.10.2009, бюл. №30, авторы Картелев А.Я., Сидоров А.А., Павлов А.Н.) и содержит датчик тока (пояс Роговского) и емкостной делитель напряжения. Датчик тока выполнен в виде тороидальной катушки индуктивности, намотанной на изоляционном каркасе, размещенной в кольцевой проточке на одном из рабочих электродов высоковольтной установки или линии передачи, прикрытой металлической крышкой и соединенной с рабочим электродом одним своим выводом напрямую, а другим выводом - через резистивную нагрузку. Емкостной делитель (его низковольтное плечо) образован металлической крышкой датчика тока, которая изолирована от обоих рабочих электродов и соединена с заземленным рабочим электродом через емкостную нагрузку. Резистивная и емкостная нагрузки датчика тока и емкостного делителя расположены за пределами рабочего электрода высоковольтной установки или заземленного проводника линии передачи в отдельных экранах и подключены к одному регистратору.
Скважинный электрогидравлический аппарат «ЭРА-5» выполнен по патенту EA №010901 (название «Устройство для электрогидравлического воздействия на призабойную зону скважины», авторы Картелев А.Я. и др., МПК E21B 43/25, выдан 30.12.2008) и представляет собой многомодульную конструкцию, состоящую из зарядного блока, емкостного накопителя энергии, коммутатора и электродной системы. Каждый блок-модуль скважинного электрогидравлического аппарата имеет автономный металлический корпус с присоединительными резьбами на концах, изолированные токовыводы и двухуровневую гидроизоляцию от внешней среды: наружную в виде уплотняющих элементов на одном из концов корпусов модулей и внутреннюю в виде уплотняющих элементов на выходных изоляторах и токовыводах модулей. Штатная электродная система этого аппарата фактически и есть испытываемый узел.
При включении аппарата «ЭРА-5» в работу высокое напряжение от конденсаторных модулей аппарата через коммутатор и измерительный переходник подается на положительный электрод (анод) электродной системы. При этом с конца положительного электрода в направлении на отрицательный электрод развивается электрический разряд. 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) сначала по скважинной жидкости, поступает далее на стенку испытательной камеры и отражается от стенки испытательной камеры.
При каждом электрическом разряде аппарата «ЭРА-5» ведутся:
- измерения напряжения и тока в электродной системе с помощью вышеописанного измерительного переходника - комбинированного датчика тока и напряжения, входящего в состав заявляемого стенда;
- измерения давления ударной волны на внутренней стенке испытательной камеры с помощью специальных датчиков импульсного давления PS02-01, установленных по периметру камеры в ее средней части;
- скоростная съемка канала разряда и парогазового пузыря между положительным и отрицательным электродами электродной системы, осуществляемая видео, теневыми и спектральными методами и аппаратурой через броне- или оптические стекла, установленные в средней части испытательной камеры.
Эти измерения, осуществляемые при граничных или функциональных испытаниях электродной системы, позволяют подтвердить пороги прочности и функциональные возможности электродной системы аппарата, заданные в ТУ на аппарат. Кроме того, после серии разрядов, например 100 разрядов или 1000 разрядов, можно проанализировать состояние электродной системы и по степени эрозии наконечника анода и механического или химического повреждения изолятора анода определить ресурс электродной системы.
Кроме того, эти измерения или исследования позволяют получить научную информацию об электрических и гидродинамических параметрах и особенностях электрического разряда в различного типа скважинных жидкостях и скорректировать электрические и конструктивные характеристики не только электродной системы, но и других блоков-модулей скважинного электрогидравлического аппарата «ЭРА-5» и приспособить его к работе в условиях высоких гидростатических давлений, температуры и агрессивности пластовой жидкости.
Кроме того, изучение электрических, оптических и гидродинамических характеристик высоковольтного электрического разряда в химических реагентах и смесях, которые используются для повышения нефтеотдачи пластов, позволят создать по факторам воздействия на призабойную зону пласта комплексную, а по положительному эффекту синергетическую: ударно-волновую (дробящую и расслаивающую горные породы и отложения) и химическую (растворяющую и отмывающую смолы и парафины) технологию очистки призабойной зоны добывающих и нагнетательных скважин.