Способ и устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины

Способ и устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для очистки стенок скважин от твердых отложений, декольматации призабойной зоны пласта и увеличения подвижности пластовых флюидов.

Известен способ генерирования колебаний давления на забое добывающих скважин (см. патент №96118034) при их промывке техническими жидкостями, при котором устанавливают на конце насосно-компрессорных труб (НКТ) гидродинамический генератор (ГГ), закачивают жидкость в НКТ, прокачивают жидкость через ГГ, генерируют колебания давления внутри ГГ и формируют волны давления за ГГ на забое скважины.

Добывающие нефтяные скважины периодически прочищают от твердых отложений на стенках и в отверстиях перфорации обсадной трубы и устраняют засорение призабойной зоны (декольматируют), закачивая различные технические жидкости. При этом замечено, что наличие колебаний давления в закачиваемой жидкости способствует достижению лучшего результата. Это явилось причиной разработки самых различных способов очистки скважин и конструкций ГГ, предназначенных для создания колебаний давления в потоке жидкости, и их широкого использования при ремонтных работах на скважинах.

Наиболее эффективны способы создания колебаний давления на забое скважины при помощи ГГ, устанавливаемых непосредственно в том месте, где они наиболее востребованы, т.е. на нижнем конце НКТ. Волны давления, генерируемые этими устройствами, достаточно быстро затухают, и поэтому желательно располагать их в непосредственной близости с объектом воздействия, а именно с отверстиями перфорации в обсадных трубах и призабойной областью пласта.

При таком способе генерирования колебаний давления, вся жидкость прокачивается через ГГ, который тем или иным образом создает колебания давления в протекающей через него жидкости, распространяя свое воздействие на прилегающую область. Генерирующие устройства монтируются на нижнем конце НКТ и являются препятствием для свободного протекания жидкости по внутреннему каналу трубы.

Недостаток ранее используемых гидродинамических способов для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины заключается в создании существенного гидродинамического препятствия протеканию жидкости по НКТ.

Известен способ генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины, реализованный в устройстве (см. патент US 6029746), наиболее близкий по технической сущности и взятый за прототип, при котором устанавливают на нижнем конце канала насосно-компрессорной трубы (НКТ) струйный генератор Гельмгольца (СГГ) таким образом, что его питающее сопло и камеру-резонатор располагают внутри канала НКТ, а выпускное отверстие направляют из канала НКТ в затрубное пространство, прокачивают жидкости через СГГ с увеличением скорости потока в питающем сопле и соответствующей потерей полного давления, генерируют периодические колебания давления внутри СГГ, формируют волны давления на выходе из выпускного отверстия в затрубном пространстве.

Давно известно, что закачка жидкости в продуктивный пласт на поздней стадии разработки увеличивает дебит добывающих скважин. Также известно, что создание колебаний давления в прилегающем участке пласта способствует выходу капиллярно защемленной нефти, декольматации призабойной зоны, что также приводит к увеличению дебита добывающих скважин. Закачку жидкости в продуктивный пласт осуществляют через несколько нагнетающих скважин, расположенных вокруг добывающей скважины.

Струйные генераторы колебаний давления в потоке жидкости различаются конструктивно, но, как правило, включают в свой состав питающее сопло, камеру-резонатор и выпускное отверстие. Процесс генерации колебаний давления в потоке начинается, как правило, с разгона потока, поскольку амплитуда колебаний давления увеличивается с увеличением величины скоростного напора ρυ²/2 струи. Разгон потока осуществляется в питающем сопле, которое кроме увеличения скорости служит еще для формирования струи той или иной формы: круглой, плоской, кольцевой. В гидравлическом смысле струйный генератор, установленный в трубе, является для потока дросселем, а потеря полного давления, согласно формуле Вейсбаха, пропорциональна квадрату скорости ΔP=ξ×ρυ²/2, где ξ - коэффициент, характеризующий местное гидравлическое сопротивление.

Недостатком способа генерации колебаний давления в потоке жидкости взятого за прототип, является дросселирование канала НКТ, сопутствующее основной задаче, и, как следствие, увеличение потери полного давления в потоке жидкости и необходимость повышения давления прокачки.

Известно устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости (см. патент US 4041984), состоящее из питающего сопла с определенной площадью проходного сечения, камеры-резонатора и выпускного отверстия.

Это устройство называют струйным генератором Гельмгольца (СГГ), или же струйным резонатором Гельмгольца (СРГ). В английском языке это название звучит, как jet driven Helmholtz oscillator (JDHO). Но в русском языке термин "осциллятор" используют, обычно, в радиоэлектронике.

При прокачивании через устройство жидкости, на выходе из питающего сопла формируется струя, которая вытекает наружу через выпускное отверстие. При вытекании через выпускное отверстие струя задевает своей периферией острые края отверстия, и это порождает локальные возмущения давления в прилегающем пространстве. Если частота образования этих возмущений давления совпадает с частотой собственных колебаний неподвижного столба жидкости, заключенного внутри камеры-резонатора, то амплитуда колебаний давления многократно увеличивается.

Устройство состоит из двух относительно самостоятельных элементов. Питающее сопло, струя жидкости и выпускное отверстие образуют собой струйный генератор колебаний давления, который функционирует и при отсутствии камеры-резонатора, хотя амплитуда генерируемых колебаний давления весьма невелика. Но если установить питающее сопло и выпускное отверстие внутрь настроенной камеры-резонатора, то амплитуда генерируемых колебаний давления многократно увеличится, хотя камера-резонатор станет усиливать столь же добросовестно любые колебания давления соответствующей частоты, приходящие извне.

Резонатор пассивен, он лишь откликается, т.е. усиливает колебания давления, созданные каким-то другим устройством, поскольку заключенный в нем столб жидкости почти неподвижен. Генератор активен, он сам создает колебания давления, поскольку в его составе имеется высокоскоростная струя, располагающая для этого запасом кинетической энергии.

Широко распространены различные скважные устройства, преобразующие частично давление подачи в колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в пласт. Наиболее подходящими устройствами для этой цели являются струйные генераторы, не имеющие подвижных деталей и преобразующие кинетическую энергию потока в колебательную энергию за счет формы канала. Устройство в виде гильзы (трубки без днищ), содержащее струйный генератор, ввинчивается в конец насосно-компрессорной трубы на забое нагнетательной скважины, и через генератор прокачивается вся подаваемая в пласт жидкость.

Недостатком гидродинамического скважного устройства, взятого за прототип и предназначенного для генерации колебаний давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт, является то обстоятельство, что оно содержит питающее сопло, площадь проходного сечения которого существенно меньше площади проходного сечения внутреннего канала насосно-компрессорной трубы.

Известно устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины (см. патент US 6029746), наиболее близкое по технической сущности и взятое за прототип, представляющее собой струйный генератор Гельмгольца (СГГ), включающий питающее сопло, камеру-резонатор и выпускное отверстие, закрепленный на нижнем конце НКТ.

На нижнем конце насосно-компрессорной трубы (НКТ) смонтировано устройство, представляющее собой установленный в направлении "по потоку" струйный генератор Гельмгольца, хотя в тексте патента он так не называется. Струйный генератор Гельмгольца представляет собой осесимметричное тело и состоит из: полой цилиндрической камеры с двумя днищами, в которых расположены питающее сопло (в переднем "по потоку" днище) и выпускное отверстие (в заднем "по потоку" днище). Устройство генерирует колебания давления в протекающем потоке закачиваемой в пласт жидкости и формирует на выходе волновое поле в затрубном пространстве.

Вся нагнетаемая в пласт через скважину техническая жидкость прокачивается через СГГ. При этом площадь поперечного сечения питающего сопла существенно меньше площади поперечного сечения НКТ. Очевидно, что устройство создает значительное препятствие для протекающей по НКТ жидкости.

Существенным недостатком использования этого устройства является дросселирование канала НКТ и, как следствие, невозможность протолкнуть через него, при том же давлении подачи, тот же необходимый расход жидкости, который можно подать по НКТ.

Целью настоящего изобретения является формирование волн давления в затрубном пространстве скважины без дросселирования потока жидкости в НКТ.

Технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины, при котором устанавливают на нижнем конце канала насосно-компрессорной трубы (НКТ) струйный генератор Гельмгольца (СГГ) таким образом, что его питающее сопло и камеру-резонатор располагают внутри канала НКТ, а выпускное отверстие направляют из канала НКТ в затрубное пространство, прокачивают жидкости через СГГ с увеличением скорости потока в питающем сопле и соответствующей потерей полного давления, генерируют периодические колебания давления внутри СГГ, формируют волны давления на выходе из выпускного отверстия в затрубном пространстве, устанавливают на нижнем конце канала (НКТ) несколько СГГ таким образом, что у каждого питающее сопло и камеру-резонатор располагают внутри трубы поперек канала, а выпускное отверстие направляют из канала НКТ в затрубное пространство вбок, в направлении боковой стенки обсадной трубы, прокачивают жидкость через несколько СГГ при суммарной площади их питающих сопел, сопоставимой с площадью канала НКТ, с незначительным увеличением скорости потока и потерей полного давления.

В устройстве для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины, представляющем собой струйный генератор Гельмгольца (СГГ), включающий питающее сопло, камеру-резонатор и выпускное отверстие, закрепленном на нижнем конце НКТ, на нижнем конце НКТ закреплена гильза с глухим дном, в которой поперек канала установлены несколько СГГ, причем у каждого питающее сопло и камера-резонатор установлены внутри гильзы, а выпускное отверстие направлено из стенки гильзы вбок, в направлении внутренней стенки обсадной трубы.

Также в гильзе поперек канала установлены перегородки с отверстиями, а отверстия перекрыты подпружиненными нормальнозакрытыми клапанами.

Кроме того, жесткость пружин клапанов увеличивается у каждого следующего клапана по мере удаления от устья скважины.

Предложенный способ позволяет избежать дросселирования канала при генерировании колебаний давления в потоке жидкости и увеличения потери полного давления и позволяет проталкивать через НКТ необходимый расход жидкости без увеличения давления подачи.

На чертеже изображена схема устройства для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины с переборками между отдельными генераторами и подпружиненными клапанами в переборках.

Сущность предложенного изобретения состоит в следующем.

Этот способ основывается на использовании способности высокоскоростной струи жидкости генерировать слабые локальные колебания давления при натекании на острую кромку. Частота генерации определяется скоростью струи и длиной ее свободного участка f_G=Sh·W/L_C, где Sh - число Струхаля. Можно обеспечить существенное увеличение амплитуды колебания давления в потоке, если установить генерирующую пару питающее сопло - выпускное отверстие в камеру-резонатор с частотой собственных колебаний, совпадающей с частотой генерации.

Для формирования волнового поля на забое скважин на нижнем конце насосно-компрессорной трубы устанавливают гидродинамический генератор колебаний давления в протекающем потоке жидкости. Наиболее эффективным устройством, служащим для преобразования энергии скоростного напора потока в колебательную энергию, является струйный генератор Гельмгольца (СГГ). В состав СГГ, так же как в случае других гидродинамических генераторов, входит сужающее устройство - питающее сопло, площадь проходного сечения которого значительно меньше площади проходного сечения насосно-компрессорной трубы, в которую этот генератор и устанавливается. Для обеспечения требуемого расхода жидкости необходимо существенно повышать давление подачи вследствие наличия сужения канала.

Все гидродинамические генераторы, устанавливаемые на забое скважин в обсадную трубу, являются для потока дросселем, препятствующим нормальной подаче жидкости, закачиваемой в пласт по внутреннему каналу трубы. Предлагаемый в изобретении способ формирования волнового поля на забое скважины позволяет избежать сужения канала НКТ за счет расположения нескольких СГГ поперек потока жидкости в стенке НКТ так, чтобы не препятствовать протеканию жидкости по трубе.

Для этого предлагается подобрать геометрию всех СГГ таким образом, чтобы общая площадь питающих сопел была равна площади канала НКТ. Раньше обеспечить это условие было невозможно, поскольку продольное расположение СГГ в НКТ не оставляло поля для маневра площадью. При поперечном расположении СГГ в НКТ можно варьировать количеством генераторов и обеспечить общую площадь питающих сопел, даже большую, чем площадь канала НКТ.

Но чрезмерное увеличение суммарной площади питающих сопел приводит к уменьшению скорости потока в струйных генераторах и, как следствие, к уменьшению амплитуды колебаний давления в потоке жидкости. Чтобы избежать чрезмерного уменьшения скорости потока внутри СГГ и уменьшения скоростного напора струи при уменьшении давления подачи, предлагается установить между СГГ переборки поперек канала НКТ. В переборках следует установить нормальнозакрытые клапаны, которые позволят перекрыть подачу жидкости в струйные генераторы, функционирование которых нежелательно. Жесткость пружин клапанов нужно увеличивать по направлению от устья скважины вниз по НКТ. Каждый следующий нижний клапан имеет пружину большей жесткости, чем верхний. За счет этого, по мере увеличения давления подачи, станут приоткрываться все новые более нижние клапаны, обеспечивая подачу жидкости к более нижним струйным генераторам, а при уменьшении давления подачи жидкости, более нижние клапаны закроются первыми и нижние струйные генераторы перекроются.

При увеличении давления подачи внутри НКТ клапаны открываются и не препятствуют подаче жидкости к большему количеству генераторов. При уменьшении давления подачи часть нижних струйных генераторов будет отсечена за счет закрытия клапанов в нижних переборках, и верхние струйные генераторы будут продолжать функционировать в расчетном режиме, при расчетной скорости струи между питающим соплом и выходным отверстием.

Устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины (см. чертеж) состоит из гильзы с глухим дном 3, представляющей собой заглушенный с одной стороны кусок металлической толстостенной трубы с внешней конической резьбой для ввинчивания в НКТ, содержащей несколько СГГ 4, установленных в стенке гильзы поперек ее оси. Соединительная резьба, обычно, выполняется конической на внутренней поверхности НКТ и на внешней поверхности гильзы. СГГ монтируются внутри гильзы так, чтобы наружу из гильзы ничего не торчало, поскольку ввинченная в НКТ гильза с генераторами опускается в продуктивный пласт 1 через обсадную трубу 2 на забой скважины.

Поперечные переборки 5 внутри гильзы представляют собой пластины с отверстием, которое перекрывается подпружиненным клапаном 6. При отсутствии давления подачи все клапаны прижаты своими пружинами к своим переборкам. При создании усилия сверху, большего, чем жесткость пружины клапана, клапан начнет приоткрываться. Клапаны настроены таким образом, что жесткость пружины самого верхнего клапана наименьшая, и далее - по возрастающей. Чем дальше от устья скважины расположен клапан, тем более жесткая у него пружина.

Работает устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины следующим образом. При подаче в НКТ ремонтируемой скважины технической жидкости, перед верхним клапаном создается избыточное давление, поскольку клапан не пропускает жидкость через отверстие в переборке, и жидкость станет вытекать наружу в затрубное кольцевое пространство через питающее сопло верхнего струйного генератора. При протекании через СГГ в потоке жидкости генерируются колебания давления, которые распространяются через выпускное отверстие дальше, в кольцевое затрубное пространство скважины и дальше в пласт.

Жидкость при небольшом избыточном давлении сначала вся протекает через питающее сопло верхнего из СГГ, поскольку величины давления еще недостаточно для того, чтобы продавить запертый клапан первой, после верхнего СГГ, переборки. По мере увеличения давления подачи, сначала откроется клапан верхней переборки, а затем и следующие. Давление перед СГГ будет поддерживаться на уровне, оптимальном для создания расчетной величины скоростного напора в СГГ, в струе между питающим соплом и выпускным отверстием.

1. Способ генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины, при котором устанавливают на нижнем конце канала насосно-компрессорной трубы (НКТ) струйный генератор Гельмгольца (СГГ) таким образом, что его питающее сопло и камеру-резонатор располагают внутри канала НКТ, а выпускное отверстие направляют из канала НКТ в затрубное пространство, прокачивают жидкости через СГГ с увеличением скорости потока в питающем сопле и соответствующей потерей полного давления, генерируют периодические колебания давления внутри СГГ, формируют волны давления на выходе из выпускного отверстия в затрубном пространстве, отличающийся тем, что устанавливают на нижнем конце канала (НКТ) несколько СГГ таким образом, что у каждого питающее сопло и камеру-резонатор располагают внутри трубы поперек канала, а выпускное отверстие направляют из канала НКТ в затрубное пространство вбок, в направлении боковой стенки обсадной трубы, прокачивают жидкость через несколько СГГ при суммарной площади их питающих сопел, сопоставимой с площадью канала НКТ, с незначительным увеличением скорости потока и потерей полного давления.

2. Устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины, представляющее собой струйный генератор Гельмгольца (СГГ), включающий питающее сопло, камеру-резонатор и выпускное отверстие, закрепленный на нижнем конце НКТ, отличающееся тем, что на нижнем конце НКТ закреплена гильза с глухим дном, в которой поперек канала установлены несколько СГГ, причем у каждого питающее сопло и камера-резонатор установлены внутри гильзы, а выпускное отверстие направлено из стенки гильзы вбок, в направлении внутренней стенки обсадной трубы.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в гильзе поперек канала установлены перегородки с отверстиями, а отверстия перекрыты подпружиненными нормальнозакрытыми клапанами.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что жесткость пружин клапанов увеличивается у каждого следующего клапана по мере удаления от устья скважины.