СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЫПАДЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ ИЗ ПОТОКА ДОБЫВАЕМОЙ НЕФТЕСОДЕРЖАЩЕЙ ПРОДУКЦИИ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
DOWNHOLE DEVICE FOR PREVENTION OF FALLOUT OF DEPOSITS FROM FLOW OF MINED OIL-BEARING PRODUCTS, METHOD OF ITS MANUFACTURING AND OPERATION

Предложение относится к области добычи углеводородов и может быть использовано в условиях эксплуатации скважины, когда имеет место выпадение отложений из потока добываемой продукции, например, для борьбы с парафинизацией.
Известны способы изменения физико-химических свойств потоков продуктов путем передачи жидкости энергии колебательных процессов.
К недостаткам известных способов следует отнести сложность достижения достаточной плотности облучения продукта при необходимой производительности процесса.
Известен способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления (RU 2268772, 2006), в котором кроме резонансного возбуждения конструкции устройства используется возбуждение кавитационного процесса соприкосновением двух или более вихревых потоков.
n
2n+2
2
2
2
Известно, что временная (с последующим восстановлением первоначального состояния) деструкция молекул углеводородов гомологического ряда состава CH на более легкие молекулы наблюдается - при плотности облучения до 10 Вт/см, и безвозвратная деструкция при плотности более 10 Вт/см, поэтому изменение физико-химических свойств с помощью известных кавитаторов малоэффективно для решения промышленных задач, так как в них наблюдается невысокая плотность облучения (в среднем менее 5 Вт/см). Ультразвук влияет на изменение вязкости продукта, разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул. Создание турбулентного потока (турбулизации потока) соприкосновением вихрей достигается достаточно сложной механической конструкцией прибора с невозможной или сложной регулировкой величины соприкосновения вихрей. В результате чего большая часть энергии взаимодействия вихрей расходуется в начальной области соприкосновения потоков с быстрым убыванием вихревого процесса при равномерной геометрии области соприкосновения. Невозможность достижения необходимой плотности облучения в заданных частотных диапазонах при необходимой производительности устройства приводит к ограниченной возможности использования способа для эффективных тепломассоэнергообменных процессов.
Прибор не может быть использован в скважинных условиях для предотвращения выпадения отложений из потока добываемой нефтесодержащей продукции.
Известно скважинное устройство для предотвращения выпадения отложений из потока добываемой нефтесодержащей продукции, содержащее корпус, выполненный с возможностью встраивания в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ), и установленный в корпусе узел создания колебаний, выполненный с возможностью воздействия на поток добываемой нефтесодержащей продукции под действием энергии упомянутого потока (RU 2287665, 2006). Известное устройство создает пульсацию жидкости в НКТ и предназначено для очистки НКТ от отложений парафина при добыче нефтесодержащей жидкости (нефти) фонтанным способом или установками УЭЦН. Это известное устройство является наиболее близким к предложенному по совокупности признаков и принимается в качестве ближайшего аналога.
Недостатками известного устройства являются: сложное конструктивное выполнение узла создания колебаний - наличие большого количества подвижных деталей, что снижает надежность его работы; возможность включения в работу только при наличии уже отложившегося парафина, следовательно, проходное сечение НКТ сужено, т.е. устройство не решает задачу предотвращения отложений; отсутствие возможности осуществления временного или безвозвратного изменения молекулярного состава углеводородов на более легкие молекулы за счет создания вихревого потока с большой кинетической энергией и резонансного возбуждения.
Известен способ предотвращения отложений парафина в НКТ (RU 2105133, 1998), в соответствии с которым ультразвуковой преобразователь устанавливают в скважине, осуществляют виброактивную обработку нефти, при этом ультразвуковой преобразователь устанавливают в зоне начала интенсивной кристаллизации парафина, а виброактивную обработку нефти ведут в режиме кавитации на уровне предела кавитационной прочности кристаллов парафина и осуществляют их диспергирование до размеров, исключающих возможность последующей коагуляции.
Недостатком известного способа является необходимость подвода дополнительной энергии для питания ультразвукового преобразователя, что усложняет осуществление способа.
Известен способ удаления парафиновых отложений со стенок НКТ (RU 2106480, 1998), в котором устанавливают в скважине ультразвуковой преобразователь. Возбуждают колебания. Ультразвуковой преобразователь устанавливают в зоне наибольших толщин отложений парафина. Определяют собственную частоту радиально и радиально-изгибных мод колебаний НКТ, заполненной нефтью с парафиновыми отложениями. Возбуждают в НТК резонансные колебания на этих частотах. Интенсивность виброобработки поддерживают до отслаивания парафиновых отложений и растворения их в нефти.
Недостатком известного способа также является необходимость подвода дополнительной энергии для питания ультразвукового преобразователя, что усложняет осуществление способа.
Известен также раскрытый в описании изобретения (RU 2287665, 2006), по сути, способ изготовления и эксплуатации скважинного устройства, включающий изготовление деталей и сборочных единиц скважинного устройства, его сборку и введение в эксплуатацию, причем введение в эксплуатацию скважинного устройства осуществляют встраиванием его в колонну НКТ скважины на участке перед началом зоны выпадения отложений из потока добываемой нефтесодержащей продукции.
Недостатками известного способа являются отсутствие возможности предотвращения выпадения отложений из потока добываемой нефтесодержащей продукции, невозможность настройки его колебательного контура на резонансный режим работы при изготовлении и последующей эксплуатации устройства.
Техническим результатом предложения является упрощение конструкции - отсутствуют подвижные детали, а также возможность воздействия на поток добываемой нефтесодержащей продукции под действием энергии упомянутого потока в режиме работы, обеспечивающем изменение физико-химического состава нефтесодержащей продукции, в составе которой присутствуют парафины, смолы и др. составляющие, что приводит к нарушению их молекулярных связей, предотвращает выпадение из потока отложений, в связи с чем они легко с потоком выводятся на поверхность.
Предлагается группа изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, - скважинное устройство для предотвращения выпадения отложений из потока добываемой нефтесодержащей продукции, способ его изготовления и эксплуатации.
Технический результат в объекте изобретения - скважинном устройстве для предотвращения выпадения отложений из потока добываемой нефтесодержащей продукции достигается тем, что оно содержит корпус, выполненный с возможностью встраивания в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ), установленный в корпусе узел создания колебаний, выполненный с возможностью воздействия на поток добываемой нефтесодержащей продукции под действием энергии упомянутого потока, при этом узел создания колебаний выполнен в виде узлов закручивания и озвучивания потока, причем узел закручивания потока представляет собой полость, ограниченную конусной поверхностью корпуса с тангенциальным входом и с расположенным вдоль продольной ее оси стержневым турбулизатором, жестко закрепленным одним концом, а узел озвучивания потока - сообщенную гидравлически с полостью узла закручивания потока цилиндрическую камеру, открытую на выходе, с расположенным вдоль ее продольной оси свободным концом стержневого турбулизатора, оснащенным дополнительным регулируемым турбулизатором.
В конкретном примере дополнительный регулируемый турбулизатор установлен с возможностью перемещения и фиксации вдоль свободного конца стержневого турбулизатора при помощи резьбового соединения.
Целесообразно, чтобы диаметр стержневого турбулизатора, расположенного в полости узла закручивания потока, превышал диаметр свободного его конца, расположенного в цилиндрической камере узла озвучивания потока, причем участок, соединяющий разные диаметры стержневого турбулизатора, был выполнен конусным.
Повышается турбулизация потока, если на участке стержневого турбулизатора, расположенном в полости узла закручивания потока, выполнены продольные пазы, а на конусном участке, соединяющем разные диаметры стержневого турбулизатора, выполнены также продольные пазы, являющиеся продолжением пазов, выполненных на участке стержневого турбулизатора, расположенном в полости узла закручивания потока.
Устройство может быть снабжено установленной на конусной поверхности корпуса узла закручивания потока конусной втулкой с радиальными сквозными продольными прорезями, сообщенными гидравлически с тангенциальным входом и с полостью узла закручивания потока.
В конкретном примере конусная поверхность корпуса узла закручивания потока может быть выполнена двухступенчатой, причем первая ее ступень имеет форму усеченного конуса, и в ней установлена конусная втулка с радиальными продольными прорезями, сообщающимися гидравлически с тангенциальным входом и с полостью узла закручивания потока.
Оптимально, когда радиальные продольные прорези конусной втулки расположены напротив продольных пазов стержневого турбулизатора.
Технический результат в объекте изобретения - способе изготовления и эксплуатации скважинного устройства, выполненном в соответствии с данным предложением, достигается тем, что осуществляют изготовление деталей и сборочных единиц скважинного устройства, его сборку и введение в эксплуатацию, при этом после сборки скважинного устройства проводят настройку его узла создания колебаний на резонансный режим работы изменением положения дополнительного регулируемого турбулизатора и прокачкой потока жидкости на стенде со снятием частотной характеристики.
В данном конкретном устройстве осуществляют изменение положения дополнительного регулируемого турбулизатора вдоль свободного конца стержневого турбулизатора, добиваясь настройки узла создания колебаний на резонансный режим работы скважинного устройства, преимущественно, в области частотной характеристики 20000-25000 Гц.
Предпочтительно введение в эксплуатацию скважинного устройства осуществлять встраиванием его в колонну НКТ скважины на участке перед началом зоны выпадения отложений из потока добываемой нефтесодержащей продукции.
В процессе эксплуатации скважинного устройства периодически после подъема его на поверхность осуществляют настройку его узла создания колебаний на резонансный режим работы аналогичным образом.
Предложенная группа изобретений поясняется графическими изображениями, на которых на фиг.1 показано скважинное устройство, продольный разрез; на фиг.2 - вид снизу на фиг.1; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - пример настройки на стенде частотной характеристики устройства в процессе его изготовления; на фиг.6 - пример введения устройства в эксплуатацию в скважине, оборудованной погружным насосом.
Скважинное устройство содержит корпус 1, выполненный с возможностью встраивания в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) 2, что достигается наличием соответствующих наружных резьб по его концам. В корпусе 1 установлен гидравлический узел создания колебаний, выполненный с возможностью воздействия на поток добываемой нефтесодержащей продукции под действием энергии упомянутого потока. Узел создания колебаний выполнен в виде узлов закручивания и озвучивания потока. Узел закручивания потока представляет собой полость 3, ограниченную конусной поверхностью корпуса 1 с тангенциальным входом 4 и с расположенным вдоль продольной ее оси стержневым турбулизатором 5.
Конусная поверхность корпуса 1 узла закручивания потока может быть выполнена двухступенчатой, причем первая ее ступень имеет форму усеченного конуса, и в ней установлена конусная втулка 6 с радиальными сквозными продольными прорезями 7, сообщенными гидравлически с тангенциальным входом 4 и с полостью 3 узла закручивания потока.
Тангенциальный вход 4 расположен в гайке 8 и технологически дооформлен при помощи кольца 9, установленного между гайкой 8 и конусной втулкой 6, как это показано на фиг.3. Стержневой турбулизатор 5 жестко закреплен одним концом в гайке 8, которая ввинчена в корпус 1 и поджимает кольцо 9 и конусную втулку 6.
Узел озвучивания потока представляет собой сообщенную гидравлически с полостью 3 узла закручивания потока цилиндрическую камеру 10, открытую на выходе, с расположенным вдоль ее продольной оси свободным концом стержневого турбулизатора 5, оснащенным дополнительным регулируемым турбулизатором 11. Камера 10 имеет на входе конусную расширяющуюся внутреннюю расточку корпуса, переходящую в цилиндрическую.
В конкретном примере дополнительный регулируемый турбулизатор (диск) 11 установлен с возможностью перемещения и фиксации вдоль свободного конца стержневого турбулизатора 5 при помощи резьбового соединения. Фиксация регулируемого турбулизатора 11 может быть достигнута, например, выполнением шпоночных пазов - внутреннего на турбулизаторе 11 и наружного - на свободном резьбовом конце стержневого турбулизатора 5, в которые, при совмещении, вставляется съемная шпонка (не показано).
Диаметр стержневого турбулизатора 5, расположенного в полости 3 узла закручивания потока, превышает диаметр свободного его конца, расположенного в цилиндрической камере 10 узла озвучивания потока. Участок, соединяющий разные диаметры стержневого турбулизатора 5, выполнен конусным.
На участке стержневого турбулизатора 5, расположенном в полости 3 узла закручивания потока, выполнены продольные пазы 12 (см. фиг.4), а на конусном участке, соединяющем разные диаметры стержневого турбулизатора 5, выполнены также продольные пазы, являющиеся продолжением пазов 12, выполненных на участке стержневого турбулизатора 5, расположенном в полости 3 узла закручивания потока.
Радиальные сквозные продольные прорези 7 конусной втулки расположены напротив продольных пазов 12 стержневого турбулизатора 5. Конусный участок, соединяющий разные диаметры стержневого турбулизатора 5, может входить в контакт с зауженной частью полости 3, ограниченной конусной поверхностью корпуса 1 на выходе из нее при входе в цилиндрическую камеру 10. В этом случае проход жидкости гарантирован наличием пазов 12.
Скважинное устройство работает следующим образом. При подаче потока жидкости на тангенциальный вход 4 происходит его закручивание в полости 3, образуются неустойчивые турбулентные течения центров вихрей. Поскольку поперечное сечение полости 3 по направлению линейного перемещения потока уменьшается, то максимальная линейная скорость потока достигается на конечной стадии перед разрушением вихрей в узле озвучивания потока (в камере 10). Стержневой турбулизатор 5 находится в зоне повышенной неустойчивости течений, усиливаемых продольными пазами 12 и дополнительным регулируемым турбулизатором 11. Из наиболее близких изученных математических моделей вихревых потоков в предлагаемом устройстве является модель гидроциклона. Известно, что в центре гидроциклона возникает газовый столб по причине разрыва сплошности потока жидкости из-за большой величины центробежной силы вблизи оси гидроциклона и выделение газа из жидкости в результате интенсивного вихреобразования. Таким образом, стержневой турбулизатор 5 от потока воспринимает сложные гидромеханические переменные импульсы и, вместе с этим, находится в области гидроакустической кавитации. В результате все элементы кавитатора (в том числе корпус 1) и, больше всего, стержневой турбулизатор 5 находятся в вынужденных колебаниях - резонансных колебаниях собственных частот. Образующие стержневого турбулизатора 5, полость 3 и камера 10 рассчитываются в общей задаче гидродинамики вихревых потоков. Сопротивление стенок полости 3 также учитывается при расчете ее переменного сечения при решении вариационной задачи расчета наилучшей геометрии полости 3 и камеры 10. В результате такого воздействия на поток добываемой нефтесодержащей продукции происходит ее деструкция как в полости 3, так и в камере 10. Возбуждение кавитационных процессов обусловлено конструктивным выполнением устройства.
Способ изготовления и эксплуатации скважинного устройства осуществляется следующим образом. Изготавливают детали и сборочные единицы скважинного устройства. Производят его сборку. После сборки скважинного устройства осуществляют настройку его узла создания колебаний на резонансный режим работы. Для этого устройство размещают на стенде, устанавливают датчики, а также средства отображения результатов измерения виброакустических колебаний, гидравлически обвязывают с насосом и осуществляют прокачку потока жидкости со снятием частотной характеристики. В случае если не удается получить максимальные значения мощности виброакустических колебаний, прекращают подачу жидкости, отсоединяют выходной трубопровод, изменяют положение дополнительного регулируемого турбулизатора 11 вдоль свободного конца стержневого турбулизатора, снова его фиксируют, присоединяют выходной трубопровод и возобновляют подачу жидкости. Операции повторяют до тех пор, пока не удастся настроить узел создания колебаний на резонансный режим работы скважинного устройства. Обычно резонансный режим работы скважинного устройства достигается, преимущественно, в области частотной характеристики 20000-25000 Гц (см. фиг.5). В операции настройки узла создания колебаний может быть использована также возможность некоторого изменения положения стержневого турбулизатора 5 относительно точки его закрепления вдоль продольной оси.
В процессе эксплуатации скважинного устройства, например, вследствие эрозионного износа происходит нарушение первоначальной геометрии элементов устройства (стержневого турбулизатора 5, полости 3, камеры 10 и др. деталей), изменяется сопротивление стенок полости 3, нарушается в той или иной степени гидродинамика вихревых потоков, и частотная характеристика устройства может выйти за пределы резонансного режима работы. Поэтому периодически после подъема устройства на поверхность, например, при капитальном ремонте скважины осуществляют настройку его узла создания колебаний на резонансный режим работы аналогичным образом. При необходимости проводят ревизию и замену его деталей и сборочных единиц. Целесообразно скважинное устройство 13 (см. фиг.5) располагать ниже сбивного клапана (не показан) над погружным насосом 14.
Использование предложения позволяет осуществлять временное или безвозвратное изменение молекулярного состава углеводородов на более легкие молекулы за счет создания вихревого потока с большой кинетической энергией и резонансного возбуждения, обеспечивая тем самым:
- достаточную для деструкции длительность и мощность резонансного возбуждения добываемой нефтесодержащей продукции созданием вихревого потока с максимальной тангенциальной и угловой скоростями;
- турбулентные вихри и кавитационный процесс в вихревом потоке, приводящие к акустической деструкции дисперсно-агрегатного состояния нефтесодержащей продукции и преобразованию химических связей;
- возможность использования тепломассоэнергообменного процесса вихревого потока для проведения преобразований нефтесодержащей продукции.