«Устройство акустического излучателя для регулярной очистки скважинного фильтра»

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предлагаемое изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и водохозяйственному комплексу, а именно к методам восстановления производительности буровых скважин и устройствам очистки фильтра в скважинных условиях.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Так как производительность (удельный дебит) скважин с течением времени снижается из- за засорения сетчатого фильтра и окружающей его гравийной обсыпки различного типа кольматантами (загрязнениями), возникает необходимость внеплановой остановки работы скважины для периодической очистки фильтра и прифильтровой зоны скважины.

Известен акустический метод декольматации фильтра при помощи магнитострикционных или пьезоэлектрических излучателей ультразвуковых колебаний (российская публикация в книге «Восстановление дебита водозаборных скважин» М.: Агропромиздат, 1987. Авторы В. С. Алексеев, В.Г.Гребенников. Стр 156). Способ обладает широким спектром частот излучаемых колебаний, возможностью генерировать кавитационный поток жидкости высокой энергии, что позволяет разрушать кольматанты различных типов. Кроме этого, при прохождении ультразвуковых колебаний имеет место эффект обеззараживания и подавления развития биологических организмов в жидкой среде. Недостатком способа является то, что для его применения требуется демонтаж водоподъемного оборудования каждый раз, когда производительность скважины снижается до критического уровня.

Известны способ и устройство очистки прифильтровой зоны вертикальных водозаборных скважин без демонтажа водоподъемного оборудования по патенту РФ N° 2612046 - прототип. Конструкция скважин представляет собой обсадную колонну, в нижней части которой расположена прифильтровая зона в виде сетчатого фильтра щелевого типа, пространство снаружи вокруг фильтра заполнено гравийной обсыпкой. Внутри обсадной колонны расположено водозаборное оборудование состоящее из трубопровода для откачки воды, на конце которого установлен погружной насос, находящийся выше фильтра. Устройство состоит из акустического излучателя и лифтового оборудования для его доставки во внутреннее пространство фильтра, которые соединены соответственно

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) кабелем электрической связи с пультом управления лифтовым оборудованием и генератором высокочастотных электрических колебаний. Пульт управления и генератор электрических колебаний находятся на поверхности земли. Лифтовое оборудование закреплено на нижней части погружного насоса и производит возвратно-поступательное перемещение (верх-вниз и обратно) акустического излучателя вдоль оси скважинного фильтра. Данный способ позволяет производить регулярную очистку прифильтровой зоны скважины в любой подходящий момент времени.

Акустический излучатель состоит из цепочки связанных между собой секторов (блоков), расположенных вдоль оси фильтра и выполненных из водонепроницаемых цилиндрических корпусов, оси симметрии которых перпендикулярны оси фильтра. В корпусе каждого блока установлены две ультразвуковые колебательные системы, работа которых основана на применении пьезоэлектрических (пьезокерамических) или магнитострикционных преобразователей электрических колебаний в механические. Рабочие поверхности волноводов-инструментов (источники ультразвуковых колебаний) направлены в противоположные стороны на внутреннюю поверхность фильтра. Оси симметрии блоков относительно друг друга расположены под углом равным кратному от деления 180° на их количество (по типу кругового веера). В зависимости от площади рабочей поверхности волновода-инструмента и, соответственно, размера проекции ультразвукового потока (от одного источника) на внутреннюю поверхность фильтра устанавливают такое количество блоков, при котором суммарный ультразвуковой поток (от всех источников) при перемещении акустического излучателя воздействует на всю внутреннюю поверхность фильтра. Цепочка блоков в виде гирлянды фиксируется вдоль оси фильтра с помощью двух наборов распорных элементов в виде гибких стержней- центраторов расположенных веером перпендикулярно оси фильтра в верхней и нижней части гирлянды.

Недостаток данного акустического излучателя заключается в том, что при малых размерах внутреннего диаметра скважинного фильтра возможно применение только малогабаритных ультразвуковых колебательных систем с ограниченными размерами рабочей поверхности волновода-инструмента. Такие источники ультразвуковых колебаний имеют небольшие размеры проекции ультразвукового потока на фильтр, поэтому требуется большое количество блоков ультразвуковых преобразователей, что значительно усложняет конструкцию акустического излучателя.

ЗАМЕНЯЮЩИМ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа и решение следующих задач:

- сокращение количества блоков ультразвуковых преобразователей до одного;

- повышение мощности ультразвуковых преобразователей;

- увеличение площади рабочей поверхности волновода-инструмента и, соответственно, площади проекции ультразвукового потока на внутреннюю поверхность фильтра;

- повышение надежности работы акустического излучателя.

Технический результат достигается тем, что используют один блок ультразвуковых преобразователей, сверху и снизу блока устанавливают опорные плиты, узел вращения и электродвигатель. Устройство имеет вид гирлянды из следующих последовательно соединенных между собой элементов: верхняя опорная плита, узел вращения, блок ультразвуковых преобразователей, электродвигатель и нижняя опорная плита. Опорные плиты расположены перпендикулярно оси фильтра и по периметру имеют распорные элементы. С помощью электродвигателя производят вращательные колебания блока на угол равный 180° по типу часового маятника, при этом ультразвуковые потоки жидкости от рабочих поверхностей волноводов-инструментов сканируют внутреннюю поверхность фильтра по всей окружности фильтра на 360°. Одновременно с этим процессом, с помощью средства доставки осуществляют возвратно-поступательные перемещения акустического излучателя вдоль оси фильтра. Таким образом, обеспечивают последовательную обработку всей внутренней поверхности скважинного фильтра ультразвуковыми потоками жидкости и регулярную очистку прифильтровой зоны скважины без демонтажа водоподъемного оборудования.

Как пример, в качестве ультразвукового преобразователя используют ультразвуковую колебательную систему с большой амплитудой колебания, описанную в патенте РФ N« 2465071. Конструкция колебательной системы имеет форму тела вращения и состоит из, по крайней мере, двух дисковых пьезоэлементов расположенных между отражающей и концентрирующей накладкой с волноводом-инструментом на конце в форме диска.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг.1, 2 и 3), где представлен конкретный пример конструкции устройства, который наглядно демонстрирует возможность получения технического результата.

Фиг. 1 - общий вид сбоку устройства акустического излучателя.

Фиг. 2 - вид сверху (А) устройства акустического излучателя по фиг. 1.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Фиг. 3 - схема монтажа компонентов акустического излучателя в разрезе по фиг. 1. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В примерном варианте для ультразвуковых колебательных систем высокой мощности с большой амплитудой колебания необходимо применять дисковые пъезоэлементы большого диаметра, что приводит к увеличению габаритных размеров колебательных систем в целом. Для их размещения в акустическом излучателе блок ультразвуковых преобразователей (фиг.1) выполнен из двух цилиндрических корпусов (верхнего 1 и нижнего 2), связанных между собой патрубком 3. Оси симметрии корпусов 1 и 2 параллельны и смещены вдоль оси фильтра. В каждом корпусе 1 и 2 устанавливают по одной ультразвуковой колебательной системе, концентрирующие накладки 4 систем направлены в противоположные стороны таким образом, чтобы рабочие поверхности волноводов-инструментов 5 находились непосредственно перед внутренней поверхностью фильтра 6. Корпус 1 через узел вращения 7 прикрепляют к верхней опорной плите 8, корпус 2 через электродвигатель 9 закрепляют на нижней опорной плите 10. По периметру опорных плит 8 и 10 расположены распорные элементы 11, как пример, в виде гибких стержней типа боуден-троса, на концах которых поочередно устанавливают обкатные ролики 12 и металлические щетки 13, которые опираются на внутреннюю поверхность фильтра 6. Блок ультразвуковых преобразователей (корпуса 1 и 2) и электродвигатель 9 с помощью электрического кабеля 14 и разветвителя 15 связаны с генератором высокочастотных электрических колебаний и пультом управления электродвигателем 9, которые находятся на поверхности земли (на фиг. 1 не показаны). Соединительный элемент 16 связывает акустический излучатель со средством доставки (на фиг. 1 не показано). Пунктирными стрелками показано направление ультразвукового потока жидкости на внутреннюю поверхность фильтра 6 диаметром Д _ф

Как пример, на фиг. 2 показана опорная плита 8 с шестью распорными элементами 11 (аналогично и на опорной плите 10), которые обеспечивают центрирование и подвижность устройства вдоль оси фильтра 6 и предотвращают вращение опорных плит 8 и 10 вокруг оси фильтра. Круговыми стрелками показаны направления колебательных вращений блока ультразвуковых преобразователей (корпуса 1 и 2) на угол 180°.

На сборочной схеме монтажа и размещения компонентов акустического излучателя (фиг.З), где кроме деталей, обозначенных под теми же номерами на фиг. 1 и 2, указаны следующие элементы: две ультразвуковые колебательные системы 17, размещенные в корпусах 1 и 2; грибовидная ось 18 узла вращения 7, опирающаяся своей шляпкой на

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) упорный подшипник 19, расположенный в кожухе 20; водонепроницаемые электрические соединители 21, соединяющие разветвитель 15 электрического кабеля 14 при помощи электрических проводов 22 с электродвигателем 9 и ультразвуковыми колебательными системами 17. Верхний корпус 1 соединен с осью 18 узла вращения 7, кожух 20 прикреплен к верхней опорной плите 8. Нижний корпус 2 прикреплен к валу электродвигателя 9, который своим основанием закреплен на нижней опорной плите 10. Стрелками показаны направления перемещений акустического излучателя (рабочих поверхностей волноводов-инструментов 5) вдоль оси фильтра 6.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При включении в работу ультразвуковых колебательных систем 17 от волноводов- инструментов 5, которые имеют форму диска, создают два разно направленных ультразвуковых потока жидкости (в виде растров) на внутреннюю поверхность фильтра 6, образую на ней круговые участки проекции воздействия ультразвуковых колебаний диаметром Д (смотри фиг. 1). При вращении вала электродвигателя 9 в колебательном режиме (по часовой стрелке и обратно) на угол 180° корпуса 1 и 2 совершают такие же вращательные колебания и производят сканирование внутренней поверхности фильтра 6 ультразвуковым потоком жидкости от волноводов-инструментов 5 по всей окружности на 360° (смотри фиг. 2). Одновременно с этим процессом, с помощью средства доставки (например, лифтового оборудования), закрепленного на нижнем торце погружного насоса, производят перемещение (верх-вниз) акустического излучателя вдоль оси фильтра 6 (смотри фиг. 3), осуществляя, таким образом, сканирование всей внутренней поверхности фильтра 6 ультразвуковым потоком жидкости и очистку прифильтровой зоны скважины.

С целью оптимизации процедуры очистки фильтра с помощью предлагаемого устройства предварительно определяют частоту и мощность ультразвуковых колебание. Обширные экспериментальные испытания показали, что для хорошей очистки щелевых фильтров и гравийного наполнителя прифильтровой зоны скважины, как вариант, выбирают следующие параметры работы ультразвуковых преобразователей: плотность мощности в пределах от 8 до 12 Вт/см , частота колебаний - от 17 до 25 кГц (наиболее предпочтительна резонансная частота около 20 кГц). Одновременно определяют минимальное время (Т) эффективного воздействия ультразвукового потока жидкости для разрушения кольматантов определенного типа и величину диаметра Д проекции потока на внутреннюю поверхность фильтра диаметром Д _ф . На основании этих значений и условия сканирования ультразвуковым потоком всей внутренней поверхности фильтра выбираются следующие варианты процедуры очистки прифильтровой зоны:

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) первый вариант - очистка за один проход устройства вдоль оси фильтра, при этом вычисляют параметры вращения вала электродвигателя 9 и движения акустического излучателя вдоль оси фильтра по следующим формулам: скорость перемещения проекции ультразвукового потока по окружности фильтра - Дн-Т; время прохождения проекции по длине окружности фильтра - (71хД _ф ХТ)н-Д; частота вращения вала электродвигателя - Д-ь(7ГхД _ф ХТ); скорость перемещения устройства вдоль оси фильтра - (ДхД)-К (7ГхД _ф хТ), где 71 - число Пи;

второй вариант - ступенчатая очистка, когда устройство на определенном этапе не перемещается вдоль оси фильтра и ультразвуковое облучение осуществляется за счет колебательного вращения ультразвуковых преобразователей вокруг оси фильтра, при этом угловая скорость вращения и частота колебаний выбираются из условия того, что суммарное время воздействия ультразвукового потока достаточно для эффективной очистки каждого участка внутренней поверхности фильтра, после чего устройство перемещается вдоль оси фильтра на расстояние Д и процесс ультразвуковой обработки повторяется для следующего кругового участка внутренней поверхности фильтра;

третий вариант - ультразвуковое облучение производится непрерывно путем многократного перемещения устройства вдоль оси фильтра с периодическими остановками в крайних точках фильтра (верхней и нижней) и, одновременно, постоянного колебательного вращения ультразвукового излучателя, скорость продольного перемещения, угловая скорость и частота колебаний при вращении, а также количество прохождений вдоль оси фильтра определяются из условия сплошного сканирования ультразвуковым потоком внутренней поверхности фильтра и гарантированного удаления загрязнений (кольматантов).

Для очистки фильтров наклонных и горизонтальных скважин применяют любое другое оборудование средств доставки, которое производит перемещение акустического излучателя в фильтровом пространстве, например устройство, описанное в патенте РФ N° 2382178, которое содержит электродвигатель с гидравлическим движителем.

Устройство позволяет одновременно с акустической очисткой производить химическую очистку фильтра путем закачивания в скважину очищающей жидкости, а также ультразвуковое обеззараживание прифильтровой зоны. После очистки прифильтровой зоны производится откачка грязной воды для последующей ее очистки в наземных условиях.

ЗАМЕНЯЮЩИМ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Таким образом, предлагаемое техническое решение устройства акустического излучателя имеет следующие преимущества перед другими известными:

1. Сканирование внутренней поверхности фильтра ультразвуковым потоком жидкости производится одновременно в двух направлениях: вдоль оси и по окружности фильтра.

2. Простота конструкции с использованием известных компонентов и средств.

3. Возможность очистки прифильтровой зоны в автоматическом режиме по заданной программе.

4. Очистка фильтра как вертикальных, так и наклонных или горизонтальных скважин без демонтажа водоподъемного оборудования.

5. Наличие эффекта обеззараживания и подавления развитие биологических организмов.

6. Возможность совмещения акустического способа очистки с химической очисткой фильтра.

Изобретение промышленно применимо.

ЗАМЕНЯЮЩИМ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)