устройство для ликвидации парафинокристаллогидратной пробки в скважине

Формула изобретения

1. Устройство для ликвидации парафинокристаллогидратной пробки в скважине, обсаженной эксплуатационной колонной и оборудованной устьевым герметизирующим устройством, включающее глубинный штанговый насос, штанговую колонну с полированным штоком, подъемный механизм и узел нагрева пробки в виде возбудителя продольных колебаний, содержащего блок управления и размещенные в общем корпусе подвижную и неподвижную части, отличающееся тем, что неподвижная часть возбудителя колебаний - статор выполнена в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала, шихтованного в осевом направлении, на внутренней поверхности которого намотана цилиндрическая однофазная обмотка, имеющая четное число секций с чередующимся вдоль оси статора направлением магнитного потока север-юг-север-юг. . . и т. д. , а подвижная часть возбудителя колебаний - индуктор выполнена также в виде полого ступенчатого цилиндра из магнитомягкого материала, на наружной выступающей поверхности которого с зазором относительно обмотки закреплены намагниченные радиально кольцевые постоянные магниты, число которых равно числу секций обмотки статора, причем направление намагниченности чередуется вдоль продольной оси индуктора, образуя полосы север-юг-север-юг. . . и т. д. , а длина полюсного деления по оси индуктора, образованного одним кольцевым магнитом, равна длине зоны, занимаемой одной секцией однофазной обмотки статора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подвижная часть возбудителя подпружинена и установлена на полированном штоке с возможностью осевого перемещения вместе с ним относительно корпуса.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что блок управления возбудителя колебаний выполнен в виде однофазного источника напряжения переменной частоты и амплитуды.

4. Устройство по любому из пп. 1 - 3, отличающееся тем, что оно снабжено насосно-компрессорным агрегатом, соединенным с устьевым герметизирующим устройством.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к конструкции устройств для ликвидации парафиновых и кристаллогидратных пробок в скважинах, оборудованных штанговыми глубинными насосами.

Известно устройство для ликвидации парафинокристаллогидратной пробки в скважинах, обсаженных эксплуатационной колонной, содержащее вспомогательную штанговую колонну с электроизолированной наружной поверхностью, полированный шток, выполненный комбинированным из диэлектрической и токопроводящей частей [см. RU 2132452, 1998]. Недостатком такого устройства является использование нестандартного оборудования, изготовленного из дорогостоящих цветных металлов, например специальных штанг с пониженным электрическим сопротивлением, комбинированного штока, а также проведение большого объема монтажных работ. Кроме того, применение устройства связано с повышенной опасностью поражения электрическим током и требует большой установленной мощности электрооборудования для разогрева

Известно устройство для ликвидации парафинокристаллогидратной пробки в скважине, обсаженной эксплуатационной колонной и оборудованной устьевым герметизирующим устройством, включающее глубинный штанговый насос, штанговую колонну с полированным штоком, подъемным механизмом и узел нагрева пробки в виде возбудителя продольных колебаний, содержащего блок управления и размещенные в общем корпусе подвижную и неподвижную части. При этом подвижная часть взаимосвязана с полированным штоком, соединенным с подъемным механизмом, а неподвижная часть закреплена в корпусе [см. RU 2137908, 1999]. Однако указанное устройство недостаточно надежно в эксплуатации, не обеспечивает достаточной глубины прогрева пробки, необходимой для извлечения колонны.

Задачей предлагаемого устройства является ликвидация парафинокристаллогидратной пробки в любой скважине, оборудованной эксплуатационной колонной, обсадными трубами и глубинным штанговым насосом при стандартной штанговой колонне, увеличение глубины прогрева, а также повышение безопасности работ.

Для решения поставленной задачи в устройстве для ликвидации парафинокристаллогидратной пробки в скважине, обсаженной эксплуатационной колонной и оборудованной устьевым герметизирующим устройством, включающем глубинный штанговый насос, штанговую колонну с полированным штоком, подъемный механизм и узел нагрева пробки в виде возбудителя продольных колебаний, содержащего блок управления и размещенные в одном корпусе подвижную и неподвижную части согласно изобретению неподвижная часть возбудителя колебаний - статор выполнена в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала, шихтованного в осевом направлении, на внутренней поверхности которого намотана цилиндрическая однофазная обмотка, имеющая четное число секций с чередующимся вдоль оси статора направлением магнитного потока север-юг-север-юг... и т.д., а подвижная часть возбудителя колебаний - индуктор выполнена также в виде полого ступенчатого цилиндра из магнитомягкого материала, на наружной выступающей поверхности которого с зазором относительно обмотки закреплены намагниченные радиально кольцевые постоянные магниты, число которых равно числу секций обмотки статора, причем направление намагниченности чередуется вдоль продольной оси индуктора, образуя полосы север-юг-север-юг... и т.д., а длина полюсного деления по оси индуктора, образованного одним кольцевым магнитом, равна длине зоны, занимаемой одной секцией однофазной обмотки статора. Кроме того, подвижная часть возбудителя подпружинена и установлена на полированном штоке с возможностью осевого перемещения вместе с ним относительно корпуса.

Блок управления возбудителя колебаний выполнен в виде однофазного источника напряжения переменной частоты и амплитуды.

Устройство снабжено также насосно-компрсссорным агрегатом, соединенным с устьевым герметизирующим устройством.

Устройство предполагает применение возбудителя, построенного на основе электромагнитного преобразователя энергии. Для этого в состав устройства введен однофазный источник напряжения переменной частоты и амплитуды, на корпусе возбудителя укреплен статор, выполненный в виде полого цилиндра и магнигомягкого материала, а подвижная часть вибратора выполнена также в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала, с наружной стороны которого с зазором относительно обмотки закреплены кольцевые постоянные магниты, намагниченные радиально. В результате взаимодействия магнитного поля статора, образованного обмоткой, и магнитного поля подвижной части возбудителя, созданного постоянными магнитами, появляется продольное усилие, стремящееся переместить подвижную часть относительно статора вдоль оси. Причем направление усилия определяется направлением тока в обмотке статора. Поэтому, при изменении направления тока за счет изменения напряжения на обмотке меняется и направление усилия. При питании обмотки переменным напряжением возникают продольные колебания подвижной части вибратора относительно статора. Частота этих колебаний равна частоте напряжения на обмотке возбудителя, а амплитуда зависит от амплитуды напряжения.

В общем случае возбудитель продольных колебаний может быть выполнен по любому принципу - пневматический, гидравлический и др.

Между торцевыми крышками корпуса и подвижной частью вибратора с двух сторон установлены цилиндрические пружины, поэтому оказывается, что корпус возбудителя колебаний подвешен на пружинах на полированном штоке и максимальные усилия, прикладываемые к колонне, зависят от жесткости пружин. Для получения больших усилий целесообразно укрепить корпус на устье скважины.

Для возникновения максимального осевого усилия между статором и неподвижной частью вибратора при имеющемся токе обмотки необходимо, чтобы магнитные полюса подвижной части вибратора были смещены на половину полюсного деления относительно полюсов, образованных обмоткой. Именно в таком положении должна находиться подвижная часть возбудителя колебаний относительно статора в исходном положении, когда напряжение на обмотке равно нулю. Очевидно, что штанговая колонна под действием растягивающего усилия, приложенного к ней подъемным механизмом, может перемещаться вверх. Если при этом статор будет закреплен на устье скважины, то произойдет смещение подвижной части относительно статора в исходном положении и усилие, развиваемое вибратором, уменьшится. При смещении подвижной части на половину полюсного деления усилие, развиваемое вибратором, уменьшается до нуля. Поэтому в случае возможности перемещения штанговой колонны относительно устья скважины целесообразно корпус вибратора закреплять не на устье скважины, а соединять с тем же подъемным механизмом, который создает растягивающее усилие. Тогда штанговая колонна и корпус вибратора будут перемещаться вместе и их относительное перемещение будет исключено.

Как только вокруг штанговой колонны образуется сквозное кольцевое отверстие, уходящее внутрь скважины, в него с помощью насосного агрегата закачивают рабочий агент (горячую нефть или раствор кальция), который вымывает продукты разрушения пробки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дана принципиальная схема устройства, на фиг.2 - схема возбудителя продольных колебаний.

Устройство для ликвидации парафинокристаллогидратной пробки в скважине (фиг. 1), оборудованной устьевым герметизирующим устройством 1, обсаженной эксплуатационной колонной 2, в которую спущены насосно-компрессорные трубы 3, включает штанговую колонну 4 с полированным штоком 5 и глубинный насос 6. Верхняя часть полированного штока 5 соединена с подъемным механизмом 7, который осуществляет натяжение штанговой колонны 4 вверх. На устьевом герметизирующем устройстве 1 установлен возбудитель продольных колебаний 8 с блоком управления 9 и, кроме того, устройство 1 соединено с насосным агрегатом 10.

Для того чтобы осуществлять продольные колебания штанговой колонны с амплитудой 1,5-10 мм требуется усилие до 10 кН. Поэтому возбудитель продольных колебаний, обеспечивающий плавное регулирование амплитуды и частоты колебаний в указанном диапазоне, обладающий минимальными габаритными размерами, наиболее удобный в эксплуатации, можно построить на основе электромагнитного преобразователя энергии (фиг.2). Возбудитель колебаний 8 содержит датчик линейных перемещений 12, подвижную часть 13 и неподвижную часть 14. Неподвижная часть 14 - статор, закреплена внутри корпуса 11 и выполнена в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала. По внутренней поверхности статора 14 намотана цилиндрическая однофазная обмотка 15, имеющая четное число секций, создающих магнитный поток чередующегося направления (север-юг-север-юг. . . ) вдоль продольной оси статора (на фиг.2 показано стрелками). Подвижная часть 13 вибратора выполнена также в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала, с наружной стороны которого с зазором относительно обмотки закреплены кольцевые постоянные магниты 16, намагниченные радиально. Число магнитов равно числу секций обмотки статора, причем направление их намагниченности чередуется вдоль продольной оси индуктора, образуя полюсы (север-юг-север-юг. . . ), а длина L полюсного деления, образованного одним кольцевым магнитом, равна длине зоны, занимаемой одной секцией однофазной обмотки статора.

Для возникновения максимального осевого усилия между статором и подвижной частью вибратора при имеющемся токе обмотки необходимо, чтобы магнитные полюса подвижной части вибратора, образованные кольцевыми магнитами 16, были смещены на половину полюсного деления L/2 относительно полюсов, образованных обмоткой. Именно в таком положении должна находиться подвижная часть возбудителя колебаний относительно статора в исходном положении, когда напряжение на обмотке равно нулю. Для этого возбудитель снабжен пружинами 17, установленными между торцевыми крышками корпуса и подвижной частью и определяющими исходное положение подвижной части вибратора относительно корпуса.

Установленный в корпусе возбудителя датчик 12 линейных перемещений подвижной части 13 относительно корпуса 11 может быть выполнен на основе индукционного датчика, реагирующего на воздушным зазор между его чувствительным элементом и подвижной частью. На подвижной части возбудителя имеются элементы крепления 18 подвижной части возбудителя 8 к полированному штоку 5.

Ликвидацию пробки осуществляют следующим образом. С помощью возбудителя продольных колебаний 8 создают колебания штанговой колонны 4. Амплитуда колебаний должна составлять 1-2 мм, а частота должна плавно изменяться, например, от 5 до 100 Гц. При этом для всех частот поддерживается постоянное усилие, развиваемое возбудителем колебаний, а амплитуда колебаний полированного штока относительно корпуса фиксируется с помощью датчика 12, то есть снимается амплитудно-частотная характеристика механической системы, включающей штанговую колонну 4, возбудитель колебаний 8 и подъемный механизм 7. В таком состоянии отмечаются резонансные пики в частотной характеристике.

При подключении обмотки 15 к однофазному источнику напряжения переменной амплитуды и частоты 9 по ней потечет ток регулируемой амплитуды и частоты. Этот ток создает пульсирующий магнитный поток статора возбудителя. В результате взаимодействия магнитного потока статора 14 и потока, созданного постоянными магнитами 16, появляется пульсирующее продольное усилие, вызывающее перемещения подвижной части вибратора относительно статора. Частота изменения направления усилия (вибрации) равна частоте напряжения на обмотке возбудителя, а амплитуда зависит от тока, то есть от амплитуды напряжения. После этого устанавливают частоту колебаний возбудителя, соответствующую первому резонансному пику, при амплитуде колебаний 1,5-10 мм, что соответствует рабочему режиму, при этом осуществляются колебания штанговой колонны на этой частоте и амплитуде. Через какое-то время в результате освобождения части штанговой колонны от пробки происходит изменение резонансной частоты механической системы, что видно по изменению амплитуды колебаний. После этого необходимо снова снять частотную характеристику и осуществить рабочий режим при другой частоте. По мере углубления разрушения пробки целесообразной оказывается реализация рабочего режима не на первом резонансном пике, а на втором, третьем и т.д. После создания в результате вибраций сквозного продольного гидравлического канала вокруг насосно-компрессорных труб и штанг через кольцевое пространство скважины закачивают рабочий агент, например углеводородный растворитель или теплоноситель (горячую нефть, раствор хлористого кальция), до появления устойчивой циркуляции рабочего агента и полного замещения им продуктов разрушения пробки.

Такая схема ликвидации целесообразна, если в результате вибраций не удается вытащить штанговую колонну из скважины. В том случае, если штанговая колонна пойдет, то подвижная часть возбудителя колебаний начнет перемещаться относительно корпуса и достигнет упоров, что может привести к прекращению работы возбудителя или даже к разрушению его. В этом случае корпус возбудителя 11 с помощью дополнительного троса присоединяется к подъемному механизму 7. Тогда при перемещении штанговой колонны, за счет усилий подъемного механизма вместе с полированным штоком будет перемещаться и корпус возбудителя колебаний.

Предлагаемое устройство может быть использовано не только в нефтедобыче, но и в горнорудной промышленности и строительстве, например при извлечении или принудительном погружении в грунт бурового инструмента или свайных конструкций.