скважинный самоуправляемый газогидродинамический излучатель- диспергатор

Формула изобретения

Скважинный самоуправляемый газогидродинамический излучатель-диспергатор, содержащий размещенные в корпусе нижний диспергирующий элемент, выполненный в виде конфузора и установленный подвижно относительно верхнего диспергирующего элемента, выполненного в виде диффузора и установленного неподвижно или подвижно относительно корпуса, вихревую тороидальную камеру, образованную направленными друг к другу вершинами усеченных конусов и соосно расположенных центральных проходных каналов конфузора и диффузора, и сообщенную с центральным проходным каналом, установленную на входе нижнего диспергирующего элемента втулку-сепаратор с центральным проходным каналом, выполненным в виде расширяющего в сторону входа нижнего диспергирующего элемента усеченного конуса с винтообразными пазами и равномерно расположенными по длине последних сквозными радиальными отверстиями, образующую с корпусом камеру, гидравлически сообщенную с вихревой тороидальной камерой возвратную пружину, установленную между нижним и верхним диспергирующими элементами, и возвратную пружину, установленную между корпусом и верхним диспергирующим элементом при установке последнего подвижно, отличающийся тем, что нижний диспергирующий элемент оборудован со стороны втулки-сепаратора радиально расположенным у его боковой поверхности упором, выполненным в виде вертикального стержня с закругленным снизу концом, втулка-сепаратор имеет со стороны нижнего диспергирующего элемента втулку в виде усеченного в верхней части под углом к продольной оси полого цилиндра, имеющую в продольном сечении вид наклонной плоскости с верхней и нижней горизонтальными площадками для перемещения по ее усеченной поверхности упора, а центральный проходной канал нижнего диспергирующего элемента выполнен с винтообразными пазами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области добычи газа и нефти, в частности к движению газожидкостных смесей в подъемных трубах, и может быть использован для интенсификации работы газовых скважин при наличии жидкости (воды и углеводородного конденсата) в добываемой продукции.

Известен скважинный газогидродинамический излучатель-диспергатор, содержащий корпус с центральным каналом, расположенные по обе стороны последнего две вихревые цилиндрические камеры со стенками из эластичного материала и взаимодействующий с вихревыми камерами внешний источник управляемого давления жидкости или газа, выполненный в виде пульсатора, под воздействием которого измеряются размеры камер и тем самым генерируются колебания различной частоты [1]

Недостаток излучателя-диспергатора низкая эффективность диспергирования жидкости в газе и акустического воздействия на газожидкостный поток в стволе скважины и призабойной зоне пласта вследствие малой длины линии контактирования (диспергирования) вихревых камер с центральным проходным каналом и попадания в вихревые камеры незначительной части общего потока газожидкостной смеси, что связано с их небольшим объемом. Кроме того, для создания в излучателе-диспергаторе колебаний различной частоты требуется внешний источник управляемого давления жидкости или газа, а пульсатор постоянно настроен на заданный темп изменения давления, что снижает эффективность работы устройства в условиях переменного расхода газожидкостной смеси.

Известен скважинный газогидродинамический излучатель-диспергатор, содержащий корпус с центральным и кольцевым каналами в виде двух усеченных конусов, направленных вершинами друг к другу, между которыми имеются расположенные на одном уровне и сообщающиеся с каналами идентичные вихревые тороидальные камеры. Стенки примыкающих одна к другой камер центрального и кольцевого каналов выполнены из эластичного материала [2]

Данный излучатель-диспергатор, работающий за счет использования естественной энергии пластового газа, характеризуется недостаточной эффективностью диспергирования жидкости в газе и акустического воздействия на газожидкостной поток вследствие малого объема вихревых камер центрального и кольцевого каналов, сравнительно небольшого взаимного изменения их размеpов в процессе работы устройства и возможности самоглушения на выходе излучателя-диспергатора колебаний потоков, поступающих из центрального и кольцевого каналов.

Наиболее близким к предложенному изобретению является скважинный газогидродинамический излучатель-диспергатор, содержащий корпус с двумя последовательно расположенными друг над другом диспергирующими элементами, выполненными в виде конфузора и диффузора с соосно расположенными центральными каналами в виде усеченных конусов, направленных вершинами друг к другу, и образующих между собой сообщающуюся с центральным проходным каналом вихревую тороидальную камеру, из которых верхний диспергирующий элемент размещен неподвижно в корпусе или подпружинен сверху относительно корпуса, а нижний диспергирующий элемент выполнен подвижным и подпружинен относительно верхнего диспергирующего элемента, установленную на входе нижнего диспергирующего элемента втулку-сепаратор с центральным проходным каналом, выполненным в виде расширяющегося в сторону входа нижнего диспергирующего элемента усеченного конуса с винтообразными пазами с равномерно расположенными по длине последних сквозными радиальными отверстиями, образующую с корпусом камеру, гидравлически сообщенную с вихревой тороидальной камерой [3]

Недостаток известного излучателя-диспергатора малая амплитуда колебаний диспергирующего элемента, обусловленная жесткостью пружины, что ограничивает диапазон изменения частот ультразвуковых колебаний, регенерируемых вихревой тороидальной камерой. В результате снижается эффективность диспергирования жидкости в газе и акустического воздействия на газожидкостный поток.

Цель изобретения повышение эффективности диспергирования жидкости в газе и акустического воздействия на газожидкостный поток в стволе скважины и призабойной зоне пласта за счет расширения интервала частот регенерируемых вихревой тороидальной камерой ультразвуковых колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что скважинный газогидродинамический излучатель-диспергатор содержит корпус с двумя последовательно расположенными друг над другом диспергирующими элементами, выполненными в виде конфузора и диффузора с соосно расположенными центральными каналами в виде двух усеченных конусов, направленных вершинами друг к другу, и образующими между собой сообщающуюся с центральным проходным каналом вихревую тороидальную камеру, из которых верхний диспергирующий элемент размещен неподвижно в корпусе или подпружинен сверху относительно корпуса, а нижний диспергирующй элемент выполнен подвижным и подпружинен относительно верхнего диспергирующего элемента, установленную на входе нижнего диспергирующего элемента втулку-сепаратор с центральным проходным каналом, выполненным в виде расширяющегося в сторону входа нижнего диспергирующего элемента усеченного конуса с винтообразными пазами с равномерно расположенными по длине последних сквозными радиальными отверстиями, образующую с корпусом камеру, гидравлически сообщенную с вихревой тороидальной камерой. Центральный проходной канал нижнего диспергирующего элемента снабжен винтообразными пазами. Нижний диспергирующий элемент оборудован со стороны втулки-сепаратора радиально расположенным у его боковой поверхности упором, выполненным в виде вертикального стержня с закругленным снизу концом. Втулка-сепаратор снабжена со стороны нижнего диспергирующего элемента втулкой в виде усеченного в верхней части под углом к оси устройства полого цилиндра, имеющей в сечении вид наклонной плоскости с верхней и нижней горизонтальными площадками и расположенной с возможностью перемещения по ее усеченной поверхности упора.

Существенными признаками предложенного скважинного самоуправляемого газогидродинамического излучателя-диспергатора по сравнению с известными устройствами являются следующие признаки:

1) выполнение винтообразных пазов на поверхности центрального проходного канала нижнего диспергирующего элемента, что обеспечивает вращательное движение последнего под действием энергии газожидкостного потока в процессе эксплуатации скважины;

2) оборудование нижнего диспергирующего элемента со стороны втулки-сепаратора радиально расположенным у его боковой поверхности упором, выполненным в виде вертикального стержня с заокругленным снизу концом;

3) оборудование втулки-сепаратора со стороны нижнего диспергирующего элемента втулкой в виде усеченного в верхней части под углом к оси устройства полого цилиндра, имеющей в сечении вид наклонной плоскости с верхней и нижней горизонтальными площадками и расположенной с возможностью перемещения по ее усеченной поверхности упора.

Второй и третий признаки в сочетании с первым признаком обеспечивают одновременно с вращательным движением нижнего диспергирующего элемента также его возвратно-поступательное перемещение между крайними нижним и верхним положениями. В результате этого происходит вынужденное по определенной зависимости изменение размеров вихревой тороидальной камеры, причем исключительно под воздействием скоростного напора газожидкостного потока без привлечения внешних источников энергии и в значительно большем диапазоне, чем в прототипе и в аналогах. Соответственно расширяется интервал частот регенерируемых вихревой тороидальной камерой ультразвуковых колебаний. Кроме этого, вследствие возвратно-поступательного перемещения подпружиненного нижнего диспергирующего устройства одновременно создаются колебания различной частоты.

Эти существенные отличия обеспечивают новизну и положительный эффект от применения предложенного устройства по сравнению с известными.

На фиг. 1 изображен скважинный самоуправляемый газогидродинамический излучатель-диспергатор, продольный разрез, вариант, когда верхний диспергирующий элемент (диффузор) размещен неподвижно в корпусе; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1.

Скважинный самоуправляемый газогидродинамический излучатель-диспергатор содержит корпус 1 с последовательно расположенными друг над другом нижним и верхним диспергирующими элементами 2 и 3, выполненными в виде конфузора и диффузора, с соосно расположенными центральными каналами 4 и 5 в виде двух усеченных конусов, направленных вершинами друг к другу, и образующими между собой сообщающуюся с центральным проходным каналом вихревую тороидальную камеру 6. На входе нижнего диспергирующего элемента 2 установлена втулка-сепаратор 7 с центральным проходным каналом 8, выполненным в виде расширяющегося в сторону входа нижнего диспергирующего элемента 2 усеченного конуса с винтообразными пазами 9 с равномерно расположенными по их длине сквозными радиальными отверстиями 10. Вихревая тороидальная камера 6 образует с поверхностью каналов 4 и 5 тупые и острые кромки 11 и 12. Верхний диспергирующий элемент (диффузор) 3 закреплен неподвижно в корпусе 1 прижимной гайкой 13 с центральным проходным отверстием. Нижний диспергирующий элемент (конфузор) 2 выполнен подвижным и подпружинен относительно верхнего диспергирующего элемента 3 возвратной пружиной 14. Центральный проходной канал 4 нижнего диспергирующего элемента 3 снабжен винтообразными пазами 15. Со стороны втулки-сепаратора 7 нижний диспергирующий элемент 2 оборудован радиально расположенным у его боковой поверхности упором 16, выполненным в виде вертикального стержня с заокругленным снизу концом. Возможен вариант установки в нижней части упора 16 свободно вращающегося шарика. Упор 16 крепится в нижнем диспергирующем элементе 2 на резьбе. Втулка-сепаратор 7 снабжена со стороны нижнего диспергирующего элемента 2 втулкой 17, выполненной в виде усеченного в верхней части под углом к оси устройства полого цилиндра. В сечении верхняя часть втулки 17 имеет вид наклонной плоскости с верхней и нижней горизонтальными площадками. Втулка 17 установлена в кольцевой паз втулки-сепаратора 7 и закреплена в последней винтами 18. Упор 16 и втулка 17 располагаются взаимно таким образом, чтобы упор 16 соприкасался своим нижним концом со срединой усеченной поверхности втулки 17. Втулка-сепаратор 7 оборудована равномерно расположенными по окружности в ее верхней части вертикальными цилиндрическими патрубками 19. Через патрубки 19 и выполненные в нижнем диспергирующем элементе 2 вертикальный кольцевой канал 20 и радиальные каналы 21 камера 22 между втулкой-сепаратором 7 и корпусом 1 гидравлически сообщается с вихревой тороидальной камерой 6 со стороны ее внешней стенки. Радиальные каналы 21 равномерно располагаются по окружности вихревой тороидальной камеры 6. Количество и диаметр радиальных каналов 21 выбираются такими, чтобы обеспечить ввод в вихревую тороидальную камеру 6 всей отделяемой во втулке-сепараторе 7 жидкости в виде достаточно малых струй. Втулка-сепаратор 7 закрепляется в корпусе 1 прижимной гайкой 23 с центральным проходным отверстием. Для предотвращения перетоков жидкости и газа вдоль стенок корпуса 1, между диспергирующими элементами 2 и 3 и между нижним диспергирующим элементом 2 и втулкой-сепаратором 7 служат уплотнительные элементы 24. Для снижения потерь на трение при вращении нижнего диспергирующего элемента 2 пространство между диспергирующими элементами 2 и 3 и корпусом 1 заполняется маслом через отверстие в корпусе, которое закрывается пробкой на резьбе 25.

Возможен вариант выполнения скважинного самоуправляемого газогидродинамического излучателя-диспергатора с подвижным верхним диспергирующим элементом 3, когда дополнительно устанавливается возвратная пружина со стороны прижимной гайки 13.

Скважинный самоуправляемый газогидродинамический излучатель-диспергатор монтируется у башмака лифтовых труб и крепится к ним своим верхним концом. В случае необходимости по длине колонны лифтовых труб устанавливается несколько излучателей-диспергаторов. Направление движения газожидкостной смеси через излучатель-диспергатор показано стрелками.

Скважинный самоуправляемый газогидродинамический излучатель-диспергатор работает следующим образом.

В процессе подъема по лифтовым трубам газожидкостная смесь поступает через центральное проходное отверстие в нижней гайке 23 во втулку-сепаратор 7, где, двигаясь по центральному каналу 8 с винтообразными пазами 9, приобретает вращательно-поступательное движение. Под действием центробежных сил жидкость отбрасывается к стенкам внутренней поверхности втулки-сепаратора 7 и через радиальные отверстия 10 перетекает в камеру 22, расположенную между втулкой-сепаратором 7 и корпусом 1. Выполнение центрального канала 8 втулки-сепаратора 7 в виде расширяющегося в сторону входа нижнего диспергирующего элемента 2 конуса способствует более полному разделению компонент потока за счет постепенного увеличения центробежной силы по мере подъема газожидкостной смеси.

Частично отсепарированный газ с каплями жидкости и не отделившейся жидкой фазой поступает в центральный проходной канал 4 нижнего диспергирующего элемента 2. Вследствие оборудования канала 4 винтообразными пазами 9, расположенными в том же направлении, что и в канале 8 втулки-сепаратора 7, газожидкостный поток сохраняет свое вращательно-поступательное движение. Возникающая при этом результирующая сила будет направлена вверх под острым углом к оси устройства. Она воздействует на поверхность стенок винтообразного паза. Так как нижний диспергирующий элемент 2 свободно посажен на втулку-сепаратор 7, то под воздействием результирующей силы он приобретает вращательное движение, а вместе с ним и возвратно-поступательное перемещение. При вращении нижнего диспергирующего элемента 2 упор 16 перемещается по усеченной поверхности втулки 17 с крайнего нижнего положения в верхнее и обратно. По мере подъема газожидкостной смеси площадь сечения канала 4 уменьшается. Это приводит к увеличению скорости движения газожидкостного потока, что способствует диспергированию находящейся в газе жидкости. Одновременно вследствие уменьшения интенсивности центробежных сил происходит более равномерное распределение компонент потока по его сечению.

На выходе канала 4 газожидкостный поток турбулизируется на тупых и острых кромках 11 и 12 вихревой тороидальной камеры 6, что сопровождается интенсивным диспергированием жидкости в газе. При этом часть газожидкостной смеси захватывается острыми кромками 12 и попадает в вихревую тороидальную камеру 6. Вследствие высоких скоростей движения газожидкостного потока в вихревой тороидальной камере 6 давление в ней падает. Под действием создающегося перепада давления между давлениями в камере 22 и вихревой тороидальной камере 6 отобранная из газожидкостного потока с помощью втулки-сепаратора 7 жидкость поступает из камеры 22 по патрубкам 19 в кольцевой канал 20 и через радиальные каналы 21 впрыскивается в виде отдельных струек во вращающийся в вихревой тороидальной камере 6 газожидкостный поток, переходя в мелкодисперсное состояние.

При вращении поступившего в вихревую тороидальную камеру 6 газожидкостного потока возбуждаются ультразвуковые колебания, воздействующие на проходящий по каналам 4 и 5 основной поток газожидкостной смеси. Так как диспергирующий элемент 2 выполнен подвижным и подпружинен относительно верхнего диспергирующего элемента 3, то под действием создаваемых вихревой тороидальной камерой 6 ультразвуковых колебаний, нижний диспергирующий элемент 2 непрерывно вибрирует, изменения размеры (объем) вихревой тороидальной камеры 6. При этом также непрерывно изменяется объем газожидкостной смеси, поступающей в вихревую тороидальную камеру 6. От размеров (объема) вихревой тороидальной камеры 6 зависит частота регенерируемых ультразвуковых колебаний. Поэтому непрерывное изменение объема вихревой тороидальной камеры 6 сопровождается возникновением акустических колебаний переменной частоты, способствующих более интенсивному дроблению капель жидкости, чем колебания постоянной частоты.

Преимуществом предложенного излучателя-диспергатора по сравнению с прототипом является расширение интервала изменения частот регенерируемых вихревой тороидальной камерой 6 ультразвуковых колебаний, что достигается вынужденным по определенной зависимости изменением ее размеров (объема) под воздействием скоростного напора газожидкостного потока без привлечения внешних источников энергии. Для этого в нижнем диспергирующем элементе 2 проходной канал 4 оборудован винтообразными пазами, его нижняя часть радиально расположенным упором 16, а верхняя часть втулки-сепаратора 7 срезанной под углом к оси устройства втулкой 17, установленной с возможностью взаимодействия с упором 16. В процессе эксплуатации скважины нижний диспергирующий элемент совершает вращательное движение и связанное с ним возвратно-поступательное перемещение между крайними нижним и верхним положениями. Величина вертикального перемещения нижнего диспергирующего элемента 2 определяется углом наклона к оси устройства плоскости сечения втулки 17. При вертикальном перемещении подпружиненный нижний диспергирующий элемент 2 непрерывно вибрирует. Таким образом, в отличие от прототипа в предложенном устройстве не только расширяется интервал частот регенерируемых вихревой тороидальной камерой 6 ультразвуковых колебаний, но одновременно при каждом положении нижнего диспергирующего элемента 2 создаются колебания разной частоты как за счет его возвратно-поступательного перемещения, так и непрерывных колебаний под воздействием возвратной пружины 14.

Вследствие комбинированного воздействия на газожидкостный поток колебаниями различной частоты и расширения интервала частот создаваемых вихревой тороидальной камерой 6 ультразвуковых колебаний повышается эффективность диспергирования жидкости в газе и акустического воздействия на газожидкостный поток в стволе скважины и призабойной зоне пласта.

В результате применения предлагаемого скважинного самоуправляемого газогидродинамического излучателя-диспергатора увеличиваются дебиты газовых скважин и продлевается период их устойчивой работы при наличии жидкости в добываемой продукции.

Скважинный самоуправляемый газогидродинамический излучатель-диспергатор целесообразно использовать при эксплуатации газовых скважин в условиях обводнения и ретроградной конденсации углеводородной смеси.