Электродная система скважинного электрогидравлического устройства

Электродная система скважинного электрогидравлического устройства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в скважинных электрогидравлических аппаратах, предназначенных для повышения дебита нефтяных и газовых скважин и ведения сейсморазведки.

Известны электродные системы электрогидравлических установок для дробления горных пород, состоящие из коаксиальных центрального анода, наружного катода и промежуточного изолятора (см. книгу Гаврилов Г.Н., Егоров А.Л., Коровин С.К. "Электрогидроимпульсная технология в горном деле и строительстве". М.: Недра, 1991, с.21-24, рис.15). Центральный анод имеет диаметр 8-12 мм и выполнен из вольфрама, молибдена, никеля или специальных эрозионно-стойких материалов МКВ70НЗ, МВ70НЗ или АМВ30. В качестве промежуточного изолятора, разделяющего анод и катод, наиболее часто применяют стеклопластики, полиэтилен, вакуумную резину и фторопласт. В качестве технологической жидкости используют техническую воду или неионизированные жидкости, такие как этанол, ацетон, глицерин.

При приложении высокого импульсного напряжения к промежутку анод-катод происходит пробой технологической жидкости, быстрое выделение энергии, запасенной в конденсаторах, образование плазменного канала и разогрев жидкости. Расширяющийся плазменный канал порождает волну сжатия или ударную волну, а возникающая позже парогазовая полость - гидродинамические возмущения в виде скоростного гидропотока. Эти два разрушающих фактора используются для направленного разрушения, дробления и переизмельчения горных пород и грунтов.

Недостатки известных электродных систем:

- конструкции и материалы электродных систем, особенно их изоляторы, непригодны для работы в условиях высоких температур и больших гидростатических давлений;

- при работе электродов в жидкости разряд развивается в непосредственной близости от изолятора (в месте выхода анодного стержня из изолятора), что приводит к интенсивному разрушению изолятора и сокращению срока его службы.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является электродная система электрогидроимпульсного скважинного устройства (см. а.с. СССР № 457489, МПК⁵ Е21В 43/24, заявл. 27.02.87, опубл. 07.10.91 в БИ № 37), содержащая положительный и отрицательный электроды, установленные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами. Положительный электрод выполнен из эрозионно-стойкого материала и имеет форму трубки с заостренным концом. Положительный электрод вместе с токоподводом изолирован от корпуса тремя коаксиальными изоляторами: основным цилиндрическим и двумя сменными в виде втулок. Отрицательный электрод имеет резьбовой хвостовик, завинчиваемый в дно корпуса и контрящийся гайкой. Окна расположены по всему периметру корпуса напротив межэлектродного промежутка. Окна на корпусе перекрыты цилиндрической эластичной мембраной. Внутренняя полость корпуса заполнена диэлектрической жидкостью. Так как эластичная мембрана не влияет на гидродинамику процессов, то образующаяся после электрического пробоя жидкости парогазовая полость вызывает перемещение жидкости в полости корпуса электродной системы и передачу в призабойную зону скважины интенсивных ударных волн и гидропотоков, воздействующих на пласт.

Недостатками электродной системы (прототипа) являются:

- низкая стойкость электродной системы к воздействию статических и импульсных гидродинамических давлений вследствие слабого крепления анода и основного цилиндрического изолятора в корпусе системы и отсутствия гидравлических уплотнений между анодом и цилиндрической частью основного изолятора электродной системы;

- относительно небольшой ресурс работы изоляторов электродной системы из-за частого развития канала пробоя не с острой кромки анода, а с так называемой «тройной точки» - с границы раздела анод-дополнительная изолирующая втулка-жидкость.

При создании данного изобретения решалась задача повышения живучести электродной системы как в условиях действия на ее анод и изолятор большого гидростатического (до 300 атм) давления пластовой жидкости, так и значительно большего (до 1000 атм) импульсного гидродинамического давления на анод и изолятор системы при электрическом разряде между ее электродами.

Техническим результатом является повышение стойкости электродной системы к воздействию гидростатического и импульсного гидродинамического давлений и увеличение срока ее службы за счет повышения инерционности элементов электродной системы и уменьшения осевых нагрузок и осевых перемещений в системе.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной электродной системой, содержащей положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, изолятор токоподвода положительного электрода, при этом отрицательный электрод соединен с дном корпуса, новым является то, что положительный электрод выполнен в форме конуса, конус направлен вершиной к отрицательному электроду, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода нанесено изолирующее покрытие, корпус системы выполнен с возможностью упора в него основания конуса положительного электрода.

Кроме того, поперечные размеры и масса положительного электрода могут быть, по крайней мере, на порядок больше аналогичных параметров его токоподвода, боковая поверхность и основание положительного электрода могут выполняться гофрированными, а изолирующее покрытие - из эластичного (амортизирующего) материала. В вершине конуса положительного электрода может быть выполнено глухое отверстие, в котором может быть закреплен наконечник из эрозионно-стойкого материала.

Выполнение положительного электрода в виде массивного конуса позволяет резко увеличить, по сравнению с классическим цилиндрическим анодом, размеры и массу положительного электрода и тем самым повысить его инерционность и уменьшить его осевое смещение, т.е. ослабить удар по цанге и электроду вышерасположенного газонаполненного разрядника при действии импульсного гидродинамического давления от разряда в скважинной жидкости (амплитуда импульса до 1000 атм, длительность импульса примерно 200 мкс).

Изолирование основания и боковой поверхности конуса положительного электрода, направление вершины конуса к отрицательному электроду и выполнение корпуса электродной системы с возможностью упора в него основания конуса с изоляцией обеспечивают повышение герметичности электродной системы, а именно внешнее гидростатическое давление пластовой жидкости поджимает основание конуса с изоляцией к упору на корпусе электродной системы камеры и блокирует течь скважинной жидкости в радиальном направлении - к токоподводу положительного электрода. При действии же импульсного гидродинамического давления изолятор на основании конуса положительного электрода служит амортизатором - демпфером удара электрода по корпусу электродной системы.

При выполнении боковой конической поверхности и основания положительного электрода гофрированной или рельефной повышается надежность закрепления изолирующего покрытия на поверхности положительного электрода.

При выполнении изоляционного покрытия положительного электрода из эластичного (амортизационного) материала, например резины или полиуретана, напряжения сжатия и сдвига, возникающие в изоляционном покрытии при действии импульсного гидродинамического давления от электрического разряда, компенсируются силами упругости и не приводят к росту трещин в изоляторе, т.е. возрастает время «жизни» и ресурс изолятора и всей электродной системы.

При выполнении на вершине конуса положительного электрода глухого отверстия обеспечиваются:

- в случае работы в водных средах с большой диэлектрической проницаемостью возможность установки в это отверстие наконечника из эрозионно-стойкого материала и повышение ресурса и ремонтопригодности электродной системы;

- в случае работы в углеводородных смесях с малой диэлектрической проницаемостью усиление искажения электрического поля на вершине положительного электрода и облегчение условий электрического пробоя углеводородной смеси.

На фиг.1 изображена заявляемая электродная система скважинного электрогидравлического устройства в разрезе, на фиг.2 и 3 - фотографии положительного электрода до и после облицовки (изоляции) его полипропиленом.

Электродная система содержит положительный электрод 1 и отрицательный электрод 2, установленные соосно друг против друга в металлическом корпусе 3 с окнами 4, расположенными напротив межэлектродного промежутка.

Положительный электрод 1 выполнен в виде массивного конуса (см. фиг.2) и имеет в вершине конуса несквозное отверстие 16 для крепления эрозионно-стойкого наконечника 5, а в основании конуса - цилиндрический токоподвод 6. Конус 1 направлен вершиной к отрицательному электроду 2 и имеет поперечные размеры и массу, превышающие аналогичные параметры токоподвода 6, по крайней мере, на порядок. Поверхность положительного электрода 1 покрыта слоем изоляции 7 как со стороны боковой поверхности, так и со стороны основания конуса (см. фиг.3). В качестве изолирующего покрытия 7 использован полипропилен. Облицовка положительного электрода полипропиленом производится в специальной пресс-форме.

Отрицательный электрод 2 имеет продолжение - резьбовой хвостовик 8, с помощью которого отрицательный электрод 2 ввинчивается в дно корпуса 3 и благодаря которому регулируется расстояние между положительным и отрицательным электродами. Отрицательный электрод 2 фиксируется в корпусе 3 винтом 9.

Корпус 3 электродной системы в данном примере выполнения выполнен из двух свинчиваемых частей: массивного фланца 10 и решетки-крышки 11. В торец фланца 10 упирается своим изолированным основанием конус положительного электрода 1. В крышке 11 выполнены несколько окон - продольных прорезей 4 для заполнения электродной системы скважинной жидкостью и выхода (высокоскоростного выброса) жидкости при электрическом разряде в сторону нефтяного пласта.

Токоподвод 6 положительного электрода 1 изолирован от металлического фланца 10 с помощью капролонового изолятора 12 и соединен с цангой 13, которая, в свою очередь, соединяется с одним из электродов вышерасположенного газонаполненного разрядника (на фиг.1 не показан), через который высокое электрическое напряжение поступает на положительный электрод системы.

На токоподводе 6 и снаружи капролонового изолятора 12 установлены резиновые уплотнения 13 и 14, снижающие дополнительно риск прорыва скважинной жидкости в направлении от межэлектродного промежутка к цанге 13, т.е. в сторону вышерасположенного газонаполненного разрядника.

Боковая поверхность и основание конуса положительного электрода 1 могут быть выполнены гофрированными (см. фиг.2), а изолирующее покрытие положительного электрода - из амортизирующего материала, например резины или полиуретана.

Диаметр корпуса электродной системы - 102 мм, длина - 400 мм. Масса положительного электрода 2 кг, что, по крайней мере, на порядок больше массы его токоподвода.

При работе заявляемой электродной системы в составе скважинного электрогидравлического устройства электрический разряд развивается всегда с вершины конуса - наконечника 5 положительного электрода 1 на противолежащий отрицательный электрод 2. При этом ударная волна и скоростной гидропоток обтекают конус положительного электрода 1 с изолятором 7 и выходят из корпуса 3 через окна 4 электродной системы в призабойную зону нефтяной скважины с минимальными потерями.

Даже в случае гидродинамического или электрического разрушения изолятора 7 на его боковой поверхности скважинная жидкость не проходит за основание конуса положительного электрода 1, так как пластовое гидростатическое давление величиной 200-300 атм подпирает его вместе с изолятором 7 к фланцу 10 и герметизирует электродную систему. Действие же большого (до 1000 атм) импульсного гидродинамического давления от электрического разряда в скважинной жидкости ослаблено инерционной массой конуса положительного электрода 1 и демпфирующими свойствами изоляции 7 на его основании.

Авторы изготовили и испытали опытный образец предлагаемой электродной системы на электрическом стенде и в нефтяной скважине. Предлагаемая электродная система выдержала более чем 1000-кратное воздействие импульсов высокого напряжения амплитудой 35 кВ и электрогидравлических ударов величиной в 800 атм.

Таким образом, благодаря новым конструктивным приемам авторам удалось повысить стойкость электродной системы к воздействию гидростатического и импульсного гидродинамического давлений и увеличить срок ее службы, а также обезопасить следующие за электродной системой газонаполненный разрядник и высоковольтные конденсаторы от прорыва к ним скважинной жидкости.

1. Электродная система скважинного электрогидравлического устройства, содержащая положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, изолятор токоподвода положительного электрода, причем отрицательный электрод соединен с дном корпуса, отличающаяся тем, что положительный электрод выполнен в форме конуса, конус направлен вершиной к отрицательному электроду, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода нанесено изолирующее покрытие, корпус выполнен с возможностью упора в него основания конуса положительного электрода.

2. Электродная система по п.1, отличающаяся тем, что боковая поверхность и основание конуса положительного электрода выполнены гофрированными.

3. Электродная система по п.1, отличающаяся тем, что изолирующее покрытие конуса положительного электрода выполнено из эластичного материала.

4. Электродная система по п.1, отличающаяся тем, что поперечные размеры и масса конуса положительного электрода, по крайней мере, на порядок больше аналогичных параметров его токоподвода.

5. Электродная система по п.1, отличающаяся тем, что в вершине конуса положительного электрода выполнено глухое отверстие.

6. Электродная система по п.5, отличающаяся тем, что в вершине конуса положительного электрода закреплен наконечник из эрозионно-стойкого материала.