Кавитирующее устройство для стимуляции нефтеотдачи пластов скважин
CAVITATION DEVICE FOR STIMULATION OF OIL RECOVERY OF FORMATIONS

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для решения задач по восстановлению коллекторских свойств прискважинной зоны продуктивных пластов добывающих нефтегазовых скважин и вовлечения в разработку трудноизвлекаемых и нерентабельных запасов углеводородов, а также может быть использовано для декольматажа фильтров и прифильтровых зон гидрогеологических скважин.
Известны кавитирующие устройства для стимуляции нефтеотдачи пластов скважин с тангенциально расположенными выбросными каналами струйного аппарата (см. книгу Ибрагимова Л.Х., Мищенко И.Г., Челоянца Д.К. «Интенсификация добычи нефти» - М., Наука, 2000 - с. 414, с. 133-153).
Известны так же кавитирующие устройства для стимуляции нефтеотдачи пластов скважин имеющие струйный аппарат, обеспечивающий формирование криволинейных потоков с выбросом струй в радиальном направлении к стенкам скважины (см. патенты РФ №2448242 опубл. 20.04.2012 и №2493360 опубл. 20.09.2013).
Из известных кавитирующих устройств для стимуляции нефтеотдачи пластов скважин наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте РФ №2493360. Это устройство содержит полый корпус и днище с наружными фланцами, скрепленными между собой винтами, входное цилиндрическое отверстие для нагнетания в него через фильтр-разделитель рабочей жидкости, размещенные в корпусе турбулизатор потока, кольцевой конфузор, а так же струйный аппарат в виде соосно расположенных на встречных торцах фланцев струеобразующих кольцевых элементов, переходящих на периферии в кольцевой диффузор.
Такая конструкция устройства приводит к большим гидравлическим потерям обусловленных трением, возникающим при резком повороте потоков. Конструкция струйного аппарата не обеспечивает при обработке зумпфа скважины выброс кавитирующих струй под острым углом к ее оси или вдоль нее, что ограничивает функциональные возможности устройства. Другим недостатком является большая трудоемкость изготовления выбросных каналов струйного аппарата, связанная с необходимостью применения электроэрозионной технологии обработки металлов или технологии формирования каналов в пресс-форме из металлокерамики. Достаточно сложной в изготовлении является также конструкция турбулизатора потока, требующая присоединения винтовых лопастей к конусному направляющему элементу при помощи сварки с последующей обработкой шва, требующей больших затрат времени.
Изобретение направлено на устранение указанных недостатков.
Для достижения этого технического результата в предлагаемом кавитирующем устройстве для стимуляции нефтеотдачи пластов скважин содержащем полый корпус и днище с наружными фланцами, скрепленными между собой винтами, входное цилиндрическое отверстие для нагнетания в него через фильтр-разделитель рабочей жидкости, размещенные в корпусе турбулизатор потока, кольцевой конфузор, а также струйный аппарат в виде соосно расположенных на встречных торцах фланцев струеобразующих кольцевых элементов, переходящих на периферии в кольцевой диффузор, кольцевые элементы выполнены плоскостенными, а конфузор имеет вид конически сходящегося сопла с выходным участком, имеющим плавно расширяющийся профиль, сопряженный с поверхностью кольцевого элемента на фланце корпуса, при этом внутренняя поверхность днища выполнена в виде концентрично размещенного внутри сопла входного конуса, наружная поверхность которого выполнена по образующей, имеющей форму вогнутой линии, плавно сопрягаемой с поверхностью кольцевого элемента на фланце днища, при этом кольцевые элементы расположены с осевым зазором относительно друг друга, образующим выбросной канал с выходным критическим сечением в форме круговой щели.
При этом, турбулизатор потока выполнен в виде установленного на входе в сопло и соосно с ним набора дисковых элементов, жестко связанных между собой по центру с зазором относительно друг друга.
Причем, корпус же выполнен из двух составных частей, верхняя из которых, несущая фильтр-разделитель и турбулизатор потока, выполнена с нижним резьбовым окончанием для герметичного соединения с ответной концевой резьбой нижней части корпуса, выполненной в виде сменной насадки, форма и размеры фланцев которой выполнены таким образом, что обеспечивают работу струйного аппарата при выборе угла раскрытия струи в диапазоне от 0 до 180°.
При этом сопло снабжено расположенным вдоль его продольной оси формирователем кольцевого потока, выполненным в виде цилиндрического стержня, связанного с одной стороны с выходом турбулятора потока, а с другой - жестко соединенного с усеченной вершиной входного конуса и плавно сопряженного с ним по боковой поверхности.
Причем для фиксированной установки фланца днища относительно фланца корпуса стержень оснащен крестообразным самоцентрирующимся оперением, расположенным в хвостовой части по отношению к набегающему потоку и жестко связанным по периферии с соплом.
Отличительными признаками предлагаемого кавитирующего устройства для повышения нефтеотдачи пластов скважин от указанного выше известного, наиболее близкого к нему устройства, являются:
выполнение кольцевых элементов плоскостными;
выполнение конфузора в виде конического сходящегося сопла с выходным участком, имеющим плавно расширяющийся профиль, сопряженный с поверхностью кольцевого элемента на фланце корпуса;
выполнение внутренней поверхности днища в виде концентрично размещенного внутри сопла входного конуса, наружная поверхность которого выполнена по образующей, имеющей форму вогнутой линии, плавно сопрягаемой с поверхностью кольцевого элемента на фланце днища;
расположение кольцевых элементов относительно друг друга с осевым зазором, образующим выбросной канал с выходным критическим сечением в форме круговой щели.
Другим отличительным признаком является выполнение турбулизатора потока в виде установленного на входе в сопло и соосно с ним набора дисковых элементов, жестко связанных между собой по центру с зазором относительно друг друга.
Другим отличительным признаком является выполнение корпуса из двух герметично соединенных частей составных частей, верхняя из которых, несущая фильтр-разделитель и турбулизатор потока, выполнена с нижним резьбовым окончанием для герметичного соединения с ответной концевой резьбой нижней части корпуса, выполненной в виде сменной насадки, форма и размеры фланцев которой выполнены таким образом, что обеспечивают работу струйного аппарата при выборе угла раскрытия струи в диапазоне от 0 до 180°.
Другим отличительным признаком являются:
снабжение сопла расположенным вдоль его продольной оси формирователем кольцевого потока, выполненным в виде цилиндрического стержня, связанного с одной стороны с выходом турбулизатора потока, а с другой - жестко соединенного с усеченной вершиной входного конуса и плавно сопряженного с ним по боковой поверхности;
оснащение цилиндрического стержня крестообразным самоцентрирующимся оперением, расположенным в хвостовой части по отношению к набегающему потоку и жестко связанным по периферии с соплом.
Предлагаемое кавитирующее устройство для стимуляции нефтеотдачи пластов скважин поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-6.
На фиг. 1 показан общий вид кавитирующего устройства с продольным разрезом.
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 3-5 - общий вид сменных насадок с продольным разрезом.
На фиг. 6 - вид Б на фиг. 5.
Кавитирующее устройство (фиг. 1) содержит полый корпус и днище с наружными фланцами 1 и 2, скрепленными между собой винтами 3. Корпус выполнен из двух составных частей, верхняя из которых, представляет собой цилиндрическую камеру 4 с входным отверстием для нагнетания в него через фильтр-разделитель 5 рабочей жидкости. Входное отверстие камеры 4 расположено в горловине верхней части корпуса, имеющей наружную трубную резьбу для соединения с муфтой колонны насосно-компрессорных труб. Фильтр-разделитель 5 жестко связан с внутренней поверхностью камеры 4 и выполнен в виде набора контактирующих между собой торцовыми поверхностями корончатых колец 6, соосно установленных на крестообразной направляющей 7, сердцевина которой в верхней своей части имеет резьбовое окончание, несущее обтекатель 8. Низ крестообразной направляющей 7 снабжен осевым хвостовиком 9 с резьбой на конце для соединения с турбулизатором потока, выполненным из набора дисковых элементов 10, жестко связанных по центру между собой посредством цилиндрической направляющей 11 с зазором относительно друг друга. При этом верхняя часть корпуса снабжена центратором 12 и выполнена с нижним резьбовым окончанием для герметичного соединения с помощью медной прокладки 13 с ответной концевой резьбой нижней части корпуса, выполненной в виде сменной насадки 14. Сменная насадка 14 включает в себя конфузор и струйный аппарат в виде соосно расположенных на встречных торцах фланцев 1 и 2 струеобразующих элементов 15 и 16, переходящих на периферии в кольцевой диффузор 17. При этом кольцевые элементы 15 и 16 выполнены плоскостными, а конфузор имеет вид конически сходящегося сопла с выходным участком, имеющим плавно расширяющийся профиль, сопряженный с поверхностью кольцевого элемента 15 на фланце 1 корпуса, при этом внутренняя поверхность днища выполнена в виде концентрично размещенного внутри сопла 18 входного конуса 19, наружная поверхность которого выполнена по образующей, имеющей форму вогнутой линии, плавно сопрягаемой с поверхностью кольцевого элемента 16 на фланце 2 днища. Верхняя часть сопла 18 может быть выполнена в виде съемной либо запрессованной в тело насадки 14 цилиндрической вставки. Внутри сопла 18, вдоль его продольной оси, расположен формирователь кольцевого потока, выполненный в виде цилиндрического стержня 20, жестко соединенного с помощью резьбы с усеченной вершиной входного конуса 19 и плавно сопряженного с ним по боковой поверхности. Верхняя часть цилиндрического стержня 20 входит в предусмотренное в нижнем торце цилиндрической направляющей 11 отверстие, образуя стыковочный узел. При этом кольцевые элементы 15 и 16 струйного аппарата расположены с осевым зазором относительно друг друга, образующим выбросной канал с выходным критическим сечением в форме круговой щели. Указанный зазор образован с помощью расположенных между кольцевых элементов 15 и 16 цилиндрических шайб 21 (фиг. 2) одного диаметра и равной толщины. Шайбы 21 с помощью пропущенных сквозь них винтов 3 жестко зафиксированы на встречных поверхностях кольцевых элементов 15 и 16 и делят выбросной канал на кольцевые отрезки. При этом, благодаря удобообтекаемой форме шайб 21, обеспечивается выход из струйного аппарата сплошной радиально-кольцевой струи с углом раскрытия 180° (как это показано на фиг. 1). Для обеспечения выхода струи с углом раскрытия меньшим 180° устройство снабжено сменной насадкой 22 (фиг. 3), которая, в отличие от основной насадки 14 (см. фиг. 1), имеет другую форму и размеры фланцев 23 и 24, связанных между собой винтов 25. Выполнение круговой конусообразной щели в струйном аппарате сменной насадки 22 обеспечивается технологией изготовления. Для обеспечения выхода струи с углом раскрытия 0° устройство снабжено насадкой, изображенной на фиг. 4. В этой насадке фланцы имеют форму, вырожденную в форму элементов 26 и 27 конструкции, соединенных между собой винтами 28. В струйном аппарате этой насадки выполнение кольцевой щели легко обеспечивается в процессе изготовления элементов 26 и 27 конструкции с помощью режущего инструмента. Для упрощения технологии изготовления сменной насадки, со струйным аппаратом обеспечивается выход струи с углом раскрытия меньшим 180°, но большим 0°, она может быть выполнена в виде конструкции, представленной на фиг. 5 и фиг. 6. Эта насадка отличается от типовой насадки (см. фиг. 3) тем, что в ней для фиксированной установки фланца 29 относительно фланца 30 цилиндрический стержень 31 оснащен крестообразным самоцентрирующимся оперением, расположенным в хвостовой части по отношению к набегающему потоку и жестко связанным по периферии с соплом 32. Крылья 33 хвостового оперения выполнены в виде жестко связанных с цилиндрическим стержнем 31 четырех пластин Г-образной формы и неподвижно размещены в соответствующих им по размерам продольным прорезях, предусмотренных в стенках сопла 32. При этом цилиндрический стержень 31 связан с днищем насадки с помощью резьбового соединения. Для затяжки этого соединения днище насадки с наружной стороны снабжено глухим отверстием 34 под торцовый ключ, а в верхней части цилиндрического стержня 31 выполнено отверстие 35 под штыревой ключ. При этом в струйном аппарате рассматриваемой сменной насадки выполнение круговой конусообразной щели обеспечивается продольным размером крыльев 33 хвостового оперения и величиной его смещения относительно нижнего торца цилиндрического стержня 31.
Работа кавитирующего устройства заключается в следующем.
При нахождении кавитирующего устройства в призабойной зоне ствола скважины, в него по насосно-компрессорным трубам подают под расчетным давлением рабочую жидкость. Попадая в кавитирующее устройство, рабочая жидкость проходит через фильтр-разделитель 5 (см. фиг. 1), заполняет свободный объем камеры 4 и устремляется в сопло 18. На входе в сопло 18 рабочая жидкость, при высокой скорости ее подачи, взаимодействует с дисковыми элементами 10 турбулизатора потока. При этом на острых кромках дисковых элементов 10 происходит отрыв потока с образованием тороидальных вихрей, которые путем взаимодействия друг с другом образуют обширную зону турбулентного течения, диспергирующего рабочую жидкость. В результате чего за турбулизатором потока образуется развитой турбулентный след. При этом, благодаря наличию цилиндрического стержня 20 поток рабочей жидкости приобретает в поперечном сечении кольцевую форму и по мере продвижения внутри сопла 18 ускоряется, достигая максимальных значений скорости в щели, образованной кольцевыми элементами 15 и 16. Благодаря приданным плавным очертаниям, гидравлические потери в сопле 18 невелики и в основном обусловлены трением. В щели происходит резкое падение давления с созданием условий для критического истечения струи, при которых возникает разрыв сплошности рабочей жидкости с последующим развитием кавитационного процесса. Образующиеся при этом пузырьки и каверны, при попадании в область высокого давления по направлению движении струи, схлопываются. Возникающие при этом гидравлические удары большой силы, сопровождающиеся волновыми процессами в широком спектре частот, и развиваемый струями высокоскоростной напор, при прямом взаимодействием с перфорационными каналами и стенками обсадных труб в призабойной зоне ствола скважины, приводят к раскольматации продуктивного пласта скважины, обеспечивая таким образом возможность притока в скважину углеводородов. Наиболее эффективное решение этой задачи обеспечивается с помощью насадки 14, которая, благодаря радиально-кольцевому выходу скоростной кавитирующей струи, по максимуму использует энергетический потенциал устройства при полном охвате ударным воздействием перфорационных каналов и продуктивных пластов призабойной зоны. Для очистки и промывки забоя целесообразно использование изображенных на фиг. 3 и фиг. 5 сменных насадок, обеспечивающих, благодаря конусному истечению рабочей жидкости одновременное воздействие на стенки ствола скважины и забой. Для размыва песчаных пробок на забое может быть применена сменная насадка, изображенная на фиг. 4, струйный аппарат которой обеспечивает вылет кольцевой цилиндрической струи с максимальным, по сравнению с другими насадками, скоростным напором.
Предлагаемое кавитирующее устройство, при упрощении технологии его изготовлении и снижении гидравлических потерь, позволит обеспечить проведение наиболее эффективной кавитационно-волновой обработки пластов-коллекторов в призабойной зоне стволов скважин, а также повысить качество очистки фильтровых зон от загрязнений и песчаных пробок.