СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛЯРНОЙ ОЧИСТКИ ПРИФИЛЬТРОВОЙ ЗОНЫ И СОХРАНЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН
METHOD AND DEVICE FOR REGULAR CLEANING OF NEAR-FILTER AREA AND CONSERVATION OF WATER WELL CAPACITY

Предлагаемое изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и водохозяйственному комплексу, а именно к методам восстановления производительности гидрогеологических скважин и устройствам очистки забойных сетчатых и/или гравийных фильтров на месте их установки.
Известно, что производительность (удельный дебит) гидрогеологических скважин с течением времени снижается из-за зарастания сетчатого фильтра и гравийной обсыпки различного типа кольматантами.
Кольматанты удаляют различными способами: химическим, механическим, пневмовзрывным, электрогидравлическим, пневмогидроимпульсным, акустическим и др.
Основными недостатками известных способов очистки прифильтровой зоны скважин являются: необходимость демонтажа водоподъемного оборудования, сложность конструкции и ограниченность во времени воздействия, незначительная глубина очистки прифильтровой зоны, неэффективность разрушения отдельных видов кольматанта, ограниченность очистки фильтров большой протяженностью по длине.
Известен акустический метод декольматации фильтра при помощи магнитострикционных или пьезоэлектрических излучателей ультразвуковых колебаний (см. кн. «Восстановление дебита водозаборных скважин». М.: Агропромиздат, 1987 г. Авторы В.С. Алексеев, В.Г. Гребенников. Стр 156 - прототип).
Способ обладает широким спектром частот излучаемых колебаний, возможностью генерировать в жидкости кавитационный поток ультразвуковых волн высокой энергии, что позволяет разрушать кольматанты различных типов.
Недостатком способа является то, что для его применения требуется демонтаж водоподъемного оборудования каждый раз, когда производительность скважины снижается до критического уровня.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является применение акустического способа регулярной очистки прифильтровой зоны эксплуатируемой скважины без демонтажа водоподъемного оборудования, поддержание производительности скважины на должном уровне до планового предупредительного ремонта, снижение материальных и временных затрат на декольматацию фильтра и гравийной обсыпки.
Реализация способа достигается тем, что на нижней части погружного насоса устанавливают предлагаемое устройство, которое акустическим способом осуществляет очистку прифильтровой зоны эксплуатируемой скважины. Устройство включает лифтовое оборудование, соединенное тросом с акустическим излучателем направленного потока ультразвуковых колебаний давления жидкости высокой энергии с использованием эффекта кавитации, и пульт управления перемещением излучателя вдоль оси скважинного фильтра. В состав лифтового оборудования входят шаговый электродвигатель постоянного тока в герметичном корпусе, понижающий редуктор передачи крутящего момента вала электродвигателя на барабан лебедки, на который намотан трос подвески акустического излучателя. С помощью пульта управления лифтовым оборудованием устанавливают частоту вращения вала электродвигателя, которая определяет угловую скорость вращения барабана лебедки (скорость перемещения акустического излучателя), и время вращения вала в одном направлении для перемещения акустического излучателя вдоль всей длины фильтра. Изменяя направление вращения вала электродвигателя, производят перемещение (вверх-вниз и обратно) акустического излучателя в результате действующих на него суммарных сил: тяжести, выталкивающей жидкости, натяжения троса лебедки и гидравлического сопротивления потока жидкости.
Данная схема управления лифтовым оборудованием позволяет перемещать акустический излучатель внутри фильтрового пространства в автоматическом режиме по заданным параметрам - частота вращения вала и время переключения с одного направления вращения вала на другое. Очистку скважинного фильтра осуществляют путем перемещения работающего акустического излучателя и сканирования внутренней поверхности фильтра ультразвуковыми кавитационными волнами по всей длине прифильтровой зоны. Способ и устройство имеют возможность одновременно с работой устройства закачивать в скважину очищающую жидкость, в результате чего создается направленный гидродинамический кавитационный поток очищающей жидкости через сетчатый фильтр в область подземной формации. Совмещение акустического способа очистки с химическим ускоряет процесс очистки фильтра и увеличивает глубину очистки прифильтровой зоны.
Более подробно сущность изобретения описана ниже на примере работы водозаборной «односкважинной» установки типа «Subterra» для внутрипластовой очистки воды с высоким содержанием железа и марганца. Установки такого типа периодически через скважину закачивают в водоносный пласт воду, обогащенную кислородом. При этом происходит окисление загрязняющих компонентов (ионов атомов железа и марганца) и осаждение их непосредственно в водоносном пласте - метод подземного обезжелезивания и деманганации. После этого работу скважины переводят в режим откачки чистой воды. Основной проблемой при реализации этого метода является ускоренная кольматация прифильтровой зоны, что приводит к быстрому снижению производительности скважины, необходимости остановки работы скважины, демонтажу водоподъемного оборудования и очистке прифильтровой зоны.
На фиг. 1 представлена технологическая схема реализации предлагаемого способа и работы устройства на «односкважинной» установке типа «Subterra» (общая глубина скважины - 60 м, длина фильтра - 10 м, внутренний диаметр фильтра - 250 мм). На схеме показаны обсадная колонна 1, водоподъемная колонна 2 с трубопроводом для откачки воды, трубопровод для закачки воды 3, погружной насос 4, фильтр-каркас сетчатого типа 5, лифтовое оборудование 6, акустический излучатель 7, кабель электрической связи 8, электронный генератор высокочастотных электрических колебаний 9, пульт управления лифтовым оборудованием 10, водоносный горизонт (ВГ) и гравийная обсыпка (ГО). Объемными стрелками указаны направления движения закачиваемой очищающей жидкости, пунктирными - гидродинамического кавитационного потока жидкости через сетчатый фильтр, сплошными - перемещения акустического излучателя.
Способ осуществляется следующим образом.
Как показано на фиг. 1, на нижней части погружного насоса 4 закрепляют лифтовое оборудование 6, к которому с помощью троса подвешен акустический излучатель 7. Очистку фильтра производят после остановки работы скважины, когда удельный дебит (производительность) скважины снижается до предельно допустимого уровня. Далее по кабелю 8 с помощью электронного генератора 9 включают акустический излучатель 7 и с пульта управления 10 лифтовое оборудование 6 переводят в режим работы периодического спуска и подъема акустического излучателя 7, рабочие поверхности которого непрерывно генерируют ультразвуковые колебания жидкости высокой энергии, направленные на фильтр 5. Для «односкважинных» установок типа «Subterra» очистку фильтра предложенным способом совмещают с одновременной подачей в скважину между обсадной 1 и водоподъемной 2 колоннами насыщенной кислородом воды или другой очищающей жидкости. Таким образом, создают более интенсивный гидродинамический кавитационный поток жидкости через фильтр 5 в область подземной формации в режиме сканирования внутренней поверхности фильтра 5 по всей его длине. Частотный диапазон и акустическую мощность излучаемых колебаний устанавливают в зависимости от типа образовавшихся кольматантов и расстояния от рабочих поверхностей акустического излучателя до внутренней поверхности фильтра.
Периодически процесс очистки прифильтровой зоны приостанавливают и работу скважины переводят в режим откачки воды для удаления отделившегося кольматанта, химических реагентов и определения удельного дебита. Такую процедуру чередования очистки фильтра и откачки повторяют до появления на выходе стабильно чистой воды и восстановления производительности работы скважины, после чего работу скважины переводят в обычный режим откачки чистой воды.
Конструктивная особенность устройства определяется тем, что при всех режимах работы скважины лифтовое оборудование 6 и акустический излучатель 7 не препятствуют прохождению продукта через фильтр 5 и водоподъемное оборудование 2.
На фиг. 2 представлены схема размещения внутри фильтрового пространства акустического излучателя, как пример, состоящего из трех секторов 11, рабочие поверхности 12, гибкие стержни-центраторы 13, трос 14, кабель электрической связи 15, фильтр 5 скважины, внутренний диаметр фильтра - Dф.
Как показано на фиг. 2, акустический излучатель состоит из последовательной цепочки секторов 11, в каждом из которых размещены по две ультразвуковые колебательные системы, электрически связанные между собой. Работа ультразвуковых колебательных систем основана на применении пьезоэлектрического или магнитострикционного преобразователя электрических колебаний в механические, которые через рабочие поверхности 12 формируют ультразвуковые колебания в жидкости. Сектора 11 имеют герметичный корпус в форме тела вращения, внутри которого размещены по две ультразвуковые колебательные системы с выходом рабочих поверхностей 12 по торцам. Оси симметрии секторов 11 перпендикулярны оси фильтра 5 и относительно друг друга расположены под углом, равным кратному от деления 180° на их количество, т.е. 60°, 45° и т.п. соответственно для трех, четырех и более секторов.
Количество секторов 11 определяется условием того, чтобы суммарный ультразвуковой поток при перемещении излучателя покрывал всю внутреннюю поверхность фильтра 5. В верхней и нижней части акустического излучателя в плоскости, перпендикулярной оси фильтра, устанавливают два набора гибких стержней 13 со щетками на концах, которые касаются внутренней поверхности фильтра 5. Гибкие стержни устанавливают равномерно в радиальном направлении от оси фильтра по типу кругового веера. Стержни 13 фиксируют акустический излучатель в осевой зоне фильтра 5 при его перемещении вверх-вниз и дополнительно очищают внутреннюю поверхность фильтра 5 от рыхлых кольматантов. Акустический излучатель соединен с лифтовым оборудованием тросом 14. С помощью кабеля 15 осуществляют связь ультразвуковых колебательных систем с электронным генератором высокочастотных электрических импульсов (поз. 9, фиг. 1).
Предлагаемые способ и устройство для очистки фильтра имеют возможность применения на всех этапах работы скважин как на ранней стадии кольматации (в целях профилактики), так и в случае остановки скважины из-за значительной кольматации прифильтровой зоны.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет применения акустического способа очистки путем сканирования внутренней поверхности фильтра ультразвуковыми волнами высокой энергии с помощью устройства в виде акустического излучателя ультразвуковых волн и лифтового оборудования. Предлагаемое устройство имеет простую конструкцию и может работать в автоматическом режиме по заданным параметрам работы лифтового оборудования и акустического излучателя. При изготовлении и применении данного устройства не требуются большие материальные и энергетические затраты, а также применение дополнительных приспособлений и оборудования. Продолжительность работы устройства определяется техническими ресурсами лифтового оборудования и акустического излучателя. Путем выбора конфигурации и размера составных частей устройства данный способ можно применять для декольматации скважин различных конструкции.
Предлагаемые способ и устройство для восстановления производительности скважин обеспечивают регулярную очистку фильтра при штатном режиме работы скважин без демонтажа водоподъемного оборудования, сохранение производительности скважины до планового предупредительного обслуживания и ремонта, снижение материальных и временных затрат на декольматацию прифильтровой зоны. Это позволит сократить себестоимость добычи продукта гидрогеологическими скважинами.
Изобретение промышленно применимо.