УСТРОЙСТВО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ ПАКЕРНОГО УЗЛА В НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЕ, ОБОРУДОВАННОЙ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫМ НАСОСОМ

Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано, частности, к области ремонта и добычи нефти и газа с негерметичными эксплуатационными скважинами.
Практически на всех месторождениях имеются скважины, простаивающие с негерметичными эксплуатационными колоннами. По ликвидации негерметичностей применяются технические, химические способы. В большинстве случаев используются способы с отсечением места негерметичностей пакерами с последующим спуском электроцентробежным насосом (ЭЦН). Метод простой, малозатратный, но не продолжительный по времени из-за появлений не герметичностей в пакерном узле. Одной из основных причин является наличие вибрации в насосно-компрессорных трубах от установки электроцентробежного насоса, защемленным пакерным узлом.
Известны устройства для снижения вибраций путем вибропоглощения. Основной эффект вибропоглощения заключается в повышении коэффициента потерь исходной конструкции при нанесении вибропоглощающегося покрытия /Борьба с шумом на производстве: Справочник /Е.Я. Юдин, Л.А. Борисов, И.В. Горенштейн и др.; Под общ. ред. Е.Я. Юдина - М.: Машиностроение, 1985. - С. 267/.
Недостаток данного устройства заключается в том, что для снижения вибрации насосно-компрессорных труб, размещенных в скважине на глубине 1500-1700 м, невозможно использовать вибропоглощающее покрытие, а звуковые бегущие волны низких частот практически не поглощаются.
Известны устройства снижения шума в воздуховодах, по которым транспортируются зашумленные потоки, глушителями шума //Борьба с шумом на производстве: Справочник /Е.Я.Юдин, Л.А.Борисов, И.В. Горенштейн и др.; Под общ. ред. Е.Я. Юдина - М.: Машиностроение, 1985. - С. 283/.
Недостаток данных устройств заключается, что, для снижения уровня шума - бегущих волн, осуществляется уменьшения передачи шума в воздуховодах.
Наиболее близким техническим решением является резонатор Гельмгольца, поглощающий низкочастотный звук бегущих волн /Лапин А.Д. Применение резонаторов для уменьшения передачи звука в трубах. В кН. Борьба с шумами и вибрациями в трубах. Доклады. Челябинск, июнь 1966. - М.: Строительство. 1966. - С. 304-309/.
Недостаток заключается в подавлении амплитуды низких частот в узком диапазоне.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение эффективности работы пакерного узла, размещенного между негерметичностью эксплуатационной колонны и электроцентробежным насосом.
Технический результат достигается тем, что устройство для предупреждения негерметичности пакерного узла в нефтяной скважине, встраиваемое в насосно-компрессорные трубы, содержащее корпус и акустические резонаторы, выполненные в виде ряда трубок, при этом у каждой трубки у торца выполнены звукопоглощающие отверстия, при этом каждая трубка снабжена соединительным стержнем, трубки с соединительными стержнями установлены между кольцами с образованием беличьей клетки, причем каждая трубка и соединительный стержень имеет различную длину, подобранную с учетом образованным одинакового размера, беличья клетка установлена в переводнике на насосно-компрессорных трубах между электроцентробежным насосом и пакерным узлом.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном устройстве используют метод уменьшения амплитуды стоячих звуковых волн, расположенных напротив пакерного узла.
Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что снижение амплитуды бегущих звуковых волн акустическими резонаторами известно /Лапин А.Д. Применение резонаторов для уменьшения передачи звука в трубах. В кН. Борьба с шумами и вибрациями в трубах. Доклады. Челябинск, июнь 1966. - М.: Строительство. 1966. - С. 304-309/.
Однако неизвестно, что негерметичность пакерного узла в нефтяных скважинах можно осуществить путем снижения амплитуды стоячих волн, сформированных на насосно-компрессорных трубах источником которых является электроцентробежный насос.
Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Основные теоретические положения.
Положение первое.
ЭЦН генерирует сумму бегущих волн (БВ)  в диапазоне частот
с амплитудами
в направлении устья скважины.
Положение второе.
При распространении волн  в направлении устья скважины и обратно, в результате отражения , получается результирующая - стоячая волна (СВ)
Количество стоячих волн от ЭЦН до устья скважины в частотном спектре, генерируемого ЭЦН, составит
Из выражения непосредственно вытекает, что в точках, в которых cos(2πx/λ) обращается в нуль, смещение  тождественно равно нулю; это имеет место при x, равном нечетному числу . Посередине между этими точками располагаются точки,
в которых (2πx/λ) по абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.
Выражение для колебательной скорости в стоячей волне находится путем дифференцирования выражения (3) по времени:
Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.
В волне, распространяющей в направлении устье скважины, давление p пропорционально изменению смещения вдоль x, т.е. величине da/dx.
Дифференцируя выражение (3) по x, получаем
Таким образом, в стоячей волне и звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду давления в исходных бегущих волнах /Л. Бергман. Ультразвук и его применение в науке и технике. Перевод с немецкого. Под редакцией В.С. Григорьева и Л.Д. Розенберга. Издательство иностранной литературы. М.: 1957. - С. 24-25/.
Вывод.
Сформированная стоячая волна с двойной амплитудой давления является причиной негерметичности пакерного узла.
Положение третье.
Для уменьшения амплитуды давления стоячих волн, действующих на пакер, в диапазоне частот , предложено использовать пять акустических резонаторов типа четвертьволновых, имеющих несколько резонансных частот /Борьба с шумом на производстве: Справочник /Е.Я. Юдин, Л.А. Борисов, И.В. Горенштейн и др.; Под общ. ред. Е.Я. Юдина - М.: Машиностроение, 1985. - С. 303/.
Первый акустический резонатор АР1 - f(i)=60 Гц, f(к)=180 Гц, f(к+4)=300 Гц.
Второй акустический резонатор АР2 - f(i+1)=70 Гц, f(к+1)=210 Гц, f(к+5)=350 Гц.
Третий акустический резонатор АР3 - f(i+2)=80 Гц, f(к+2)=240 Гц, f(к+6)=400 Гц.
Четвертый акустический резонатор АР4 - f(i+3)=90 Гц, 1f(к+3)=270 Гц; f(к+7)=450 Гц;
Пятый акустический резонатор АР5 - f(i+4)=100 Гц, f(к+4)=300 Гц, f(к+8)=500 Гц.
Положение четвертое.
При совмещении двойной амплитуды давления  стоячей волны с одной из частот из спектра , генерируемого ЭЦН, с пакером - проявляется эффект негерметичности пакерного узла.
Положение пятое.
Уменьшение двойной амплитуды давления  в стоячих волнах путем подавления их акустическими резонаторами - осуществляется эффект предупреждения негерметичности пакерного узла.
Согласно приведенным выше положениям физической сущности достигается эффект предупреждая разрушения пакерного узла.
На фиг. 1 изображена конструкция первого акустического резонатора АР1.
На фиг. 2 изображена конструкция второго акустического резонатора АР2.
На фиг. 3 изображена конструкция третьего акустического резонатора АР3.
На фиг. 4 изображена конструкция четвертого акустического резонатора АР4.
На фиг. 5 изображена конструкция пятого акустического резонатора АР5.
На фиг. 6 изображен сборочный чертеж размещения акустических резонаторов в переводнике.
На фиг. 7 изображен амплитудно-частотный спектр звуковых бегущих волн, генерируемых электроцентробежным насосом в нефтяную смесь.
На фиг. 8 изображена осциллограмма одного полупериода стоячей волны.
На фиг. 9 изображен один полупериод звуковой стоячей волны в НКТ напротив пакерного узла.
На фиг. 10 изображена схема размещения переводника с акустическими резонаторами между пакерным узлом и ЭЦН.
На фиг. 11 изображен амплитудно-частотный спектр звуковых бегущих волн, распространяющихся в нефтяной смеси, после его преобразования акустическими резонаторами: АР1, АР2, АР3, АР4 и АР5.
На фиг. 12 изображено осциллограмма одного периода бегущей волны, генерируемого электроцентробежным насосом.
На фиг. 13 изображена осциллограмма одного полупериода стоячей волны после преобразования ее акустическим резонатором.
На фиг. 14 изображен один полупериод звуковой стоячей волны в НКТ напротив пакерного узла после подавления ее акустическим резонатором.
Устройство для предупреждения негерметичности пакерного узла, оборудованной электроцентробежным насосом состоит
На фиг. 10 показано: 22 - скважина, 23 - насосно-компрессорные трубы (НКТ), 24 - пакерный узел, 25 - нефтяная смесь, 17 - переводник с акустическими резонаторами: АР1, АР2, АР3, АР4 и АР5, 26 - электроцентробежный насос.
На фиг. 1 показано: 1 - первый акустический резонатор АР1 с резонансами частотами - f(i)=60 Гц, f(к)=180 Гц, f(к+4)=300 Гц для подавления амплитуды давления стоячих волн на этих частотах, 2 - звукопоглощающее отверстие в полость акустического резонатора АР1.
На фиг. 2 показано: 3 - второй акустический резонатор АР2 с резонансными частотами - f(i+1)=70 Гц, f(к+1)=210 Гц, f(к+5)=350 Гц для подавления амплитуды давления стоячих волн на этих частотах, 4 - звукопоглощающее отверстие в полость акустического резонатора АР2, 5 - соединительный стержень акустического резонатора АР2.
На фиг. 3 показано: 6 - третий акустический резонатор АР3 - f(i+2)=80 Гц, f(к+2)=240 Гц, f(к+6)=400 Гц, для подавления амплитуды давления стоячих волн на этих частотах, 7 - звукопоглощающее отверстие в полость акустического резонатора АР3, 8 - соединительный стержень акустического резонатора АР3.
На фиг. 4 показано: 9- четвертый акустический резонатор АР4 - f(i+3)=90 Гц, f(к+3)=270 Гц; f(к+7)=450 Гц для подавления амплитуды давления стоячих волн на этих частотах, 10 - звукопоглощающее отверстие в полость акустического резонатора АР4, 11 - соединительный стержень акустического резонатора АР4.
На фиг. 5 показано: 12 - пятый акустический резонатор АР5 - f(i+4)=100 Гц, f(к+4)=300 Гц, f(к+8)=500 Гц для подавления амплитуды давления стоячей волны на этих частотах, 13 - звукопоглощающее отверстие в полость акустического резонатора АР5, 14 - соединительный стержень акустического резонатора АР5.
На фиг. 6 показано: 17 - переводник, 1 - первый акустический резонатор АР1 с резонансами частотами - f(i)=60 Гц, f(к)=180 Гц, f(к+4)=300 Гц для подавления амплитуды давления стоячих волн на этих частотах, 3 - второй акустический резонатор АР2 с резонансными частотами - f(i+1)=70 Гц, f(к+1)=210 Гц, f(к+5)=350 Гц для подавления амплитуды давления стоячих волн на этих частотах, 5 - соединительный стержень акустического резонатора АР2, 6 - третий акустический резонатор АР3 - f(i+2)=80 Гц, f(к+2)=240 Гц, f(к+6)=400 Гц, для подавления амплитуды давления стоячих волн на этих частотах, 8 - соединительный стержень акустического резонатора АР3, 15 - четвертый акустический резонатор АР4 - f(i+3)=90 Гц, f(к+3)=270 Гц; f(к+7)=450 Гц для подавления амплитуды давления стоячих волн на этих частотах, 12 - пятый акустический резонатор АР5 - f(i+4)=100 Гц, f(к+4)=300 Гц, f(к+8)=500 Гц для подавления амплитуды давления стоячей волны на этих частотах, 15 - верхнее соединительное кольцо, 16 - нижнее соединительное кольцо.
На фиг. 8 показано: 18 - бегущая волна, 19 - амплитуда давления в звуковой бегущей волны.
На фиг. 9 показано: 20 - звуковая стоячая волна, 21 - амплитуда давления в стоячей волне.
На фиг. 11 показано: 22 - скважина, 23 - насосно-компрессорная труда, 25 -нефтяная смесь, 20 - звуковая стоячая волна, 21 - амплитуда давления в стоячей волне, 27 - направление распространения силы давления через НКТ в пакере от амплитуды давления в стоячей волне, 28 - деформированный (подвержен разрушению) пакер амплитудой давления стоячей звуковой волны.
На фиг. 13 показано: 29 - один полупериод звуковой стоячей волны после подавления ее акустическим резонатором, 30 - амплитуда давления звуковой стоячей волны после подавления ее акустическим резонатором.
На фиг. 14 показано: 22 - скважина, 23 - насосно-компрессорная труда, 25 - нефтяная смесь, 29 - один полупериод звуковой стоячей волны после подавления ее акустическим резонатором, 30 - амплитуда давления звуковой стоячей волны после подавления ее акустическим резонатором, 31 - не деформированный (не подвержен разрушению) пакер амплитудой давления стоячей звуковой волной после преобразования ее акустическим резонатором.
Сборка устройства осуществляется в следующей последовательности. Первая операция.
Соединяют с верхним кольцом на равном расстоянии друг от друга акустические резонаторы:
- торец первого акустического резонатора АР1 п. 1 (фиг. 1, фиг. 6) со звукопоглощающим отверстием п. 2 (фиг. 1, фиг. 6) соединяется с верхним кольцом п. 15 (фиг. 6),
- торец второго акустического резонатора АР2 п. 3 (фиг. 2, фиг. 6) с п. 4 со звукопоглощающим отверстием (фиг. 2, фиг. 6) соединяется с верхним кольцом п. 15 (фиг. 6),
- торец третьего акустического резонатора АР3 п. 6 (фиг. 3, фиг. 6) со звукопоглощающим отверстием п. 7 (фиг. 3, фиг. 6) соединяется с верхним кольцом п. 15 (фиг. 6),
- торец четвертого акустического резонатора АР4 п. 9 (фиг. 4) со звукопоглощающим отверстием п. 10 (фиг. 4) соединяется с верхним кольцом п. 15 (на показано на фиг. 6),
- торец пятого акустического резонатора АР 5 п. 12 (фиг. 5) со звукопоглощающим отверстием п. 13 (фиг. 5) соединяется с верхним кольцом п. 15 (не показано на фиг. 6).
Собранную конструкцию вставляют в переводник п. 17 (фиг. 6), а торцы всех соединительных стержней соединяют с нижним кольцом п. 16 (фиг. 6). Вторая операция.
Перед спуском в скважину п. 22 (фиг. 10) соединяют переводник 17 \ (фиг. 10) с собранными в нем акустическими резонаторами АР1-АР5, с ЭЦН п. 26 (фиг. 10), затем наворачивают НКТ п. 23 (фиг. 10) и осуществляют спуск ЭЦН п. 26 (фиг. 10) вместе с переводником п. 17 (фиг. 10) на НКТ п. 23 (фиг. 10) в скважину п. 22 (фиг. 10).
Устройство работает следующим образом.
Первая операция.
Включают насос (не показан).
Вторая операция.
Включенный в работу ЭЦН п. 26 (фиг. 10) генерирует в нефтяную смесь п. 25 (фиг. 10) сумму бегущих волн (БВ)  в диапазоне частот (фиг. 7)
Третья операция.
Бегущие звуковые волны , (фиг. 7) распространяющиеся от ЭЦН п. 26 (10), отражаясь от устья (не показано) скважины п. 22 (фиг. 10), создают в НКТ п. 23 (фиг. 10) сумму стоячих  звуковых волн (на фиг. 9 показан фрагмент одного полупериода стоячих волн п. 20 (фиг. 9) с амплитудой п. 21 (фиг. 9).
Четвертая операция.
Один из полупериодов стоячей волны п. 20 (фиг. 11) из спектра стоячих волн , находясь напротив пакерного узла п. 28 (фиг. 11) амплитудой давления п. 21 (фиг. 11) возбуждает вибрацию НКТ п. 22 (фиг. 11), передавая ее в направлении п. 27 (фиг. 11) пакерного узла п. 28 (фиг. 11) - деформирует его и вызывает негерметичность.
Пятая операция.
Первый акустический резонатор АР1 п. 1 (фиг. 1 и фиг. 6) подавляет амплитуды давления п. 21 (фиг. 9) стоячих волн на частотах: f(i)=60 Гц, f(к)=180 Гц, f(к+4)=300 Гц до амплитуды давления п. 30 (13) (формируя частотный спектр фиг. 12).
Второй акустический резонатор АР2 п. 3 (фиг. 1 и фиг. 6)) подавляет амплитуды давления п. 21 (фиг. 9) стоячих волн на частотах: f(i+1)=70 Гц, f(к+1)=210 Гц, f(к+5)=350 Гц (фиг. 12) до амплитуды давления п. 30 (13) (формируя частотный спектр фиг. 12).
Третий акустический резонатор АР3 п. 6 (фиг. 1 и фиг 6)) подавляет амплитуды давления п. 21 (фиг. 9) стоячих волн на частотах: f(i+2)=80 Гц, f(к+2)=240 Гц, f(к+6)=400 Гц (фиг. 12) до амплитуды давления п. 30 (13) (формируя частотный спектр фиг. 12).
Четвертый акустический резонатор АР4 п. 9 (фиг. 1 и фиг. 6) подавляет амплитуды давления п. 21 (фиг. 9) стоячих волн на частотах: - f(i+3)=90 Гц, f(к+3)=270 Гц; f(к+7)=450 Гц (фиг. 12) до амплитуды давления п. 30 (13) (формируя частотный спектр фиг. 12).
Пятый акустический резонатор АР5 п. 12 (фиг. И фиг. 6) подавляет амплитуды давления п. 21 (фиг. 9) стоячих волн на частотах: f(i+4)=100 Гц, f(к+4)=300 Гц, f(к+8)=500 Гц (фиг. 12) до амплитуды давления п. 30 (13) (формируя частотный спектр фиг. 12).
Шестая операция.
Осуществляется уменьшение на пакер п. 31 (14) давления пучностями стоячих волн п. 29 (фиг. 14), за счет изменения амплитуды давления п.30 (фиг.14) стоячих волн -первым акустическим резонатором АР1 п. 1 (фиг. и фиг. 6), вторым акустическим резонатором АР2 п. 3 (фиг. 1 и фиг 6), третьим акустическим резонатором АР3 п. 6 (фиг. 1 и фиг. 6), четвертым акустическим резонатором АР4 п. 19 (фиг. 1 и фиг. 6), пятым акустическим резонатором АР5 п.12 (фиг. 1 и фиг. 6), предупреждая тем самым его разрушение.