RU2438014C1 - Электродная система скважинного электрогидравлического устройства (варианты) - Google Patents

Abstract

Использование: обработка призабойной зоны нефтяных и газовых скважин и повышение их дебита, а также проведение высокоразрешающей сейсморазведки. Достигаемый технический результат: увеличение амплитуды ударной волны и ее стабилизация. Сущность изобретения: электродная система содержит положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, токоподвод к положительному электроду, причем отрицательный электрод соединен с дном корпуса, положительный электрод выполнен в форме массивного конуса, направленного вершиной к отрицательному электроду, в вершине конуса закреплен наконечник из эрозионно-стойкого металла, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода и токоподвод к нему нанесено изолирующее покрытие, корпус выполнен с возможностью упора в него основания конуса положительного электрода. В первом варианте заявляемого устройства отрицательный электрод выполнен в виде стержня, боковая поверхность отрицательного электрода, обращенная к корпусу, покрыта изолятором, при этом диаметр выступающей части отрицательного электрода выполнен равным или меньшим диаметра наконечника положительного электрода. Во втором варианте заявляемого устройства отрицательный электрод выполнен в виде конуса или полусферы, обращенных вершиной или полюсом к положительному электроду, вся поверхность отрицательного электрода, обращенная к положительному электроду, покрыта изолятором, наконечник положительного электрода приближен или касается изолятора отрицательного электрода. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Группа изобретений относится к системам формирования электрического разряда в жидкости и может быть использована 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. Катод может представлять собой оплетку коаксиального кабеля, полую металлическую трубку или дно металлического бака. В качестве промежуточного изолятора, разделяющего анод и катод, наиболее часто применяют стеклопластики, полиэтилен, вакуумную резину и фторопласт. В качестве технологической жидкости, в которую погружают электродную систему, 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 электрической 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 непригодны для работы в условиях высоких температур и больших гидростатических давлений;

- при работе электродов в технической (пресной) воде с повышенной диэлектрической проницаемостью (ε'_в=80) 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;

- при работе в соленой морской воде (сейсморазведка на море) или при переизмельчении горных пород, когда в воду поступают соли калия и кальция и вода становится минерализованной и проводящей, электрический разряд в воде становится объемным, а не нитевидным, соответственно, взрывного перегрева воды не происходит и ударная волна имеет малую амплитуду.

Известна также электродная система электрогидроимпульсного скважинного устройства (см. А.с. СССР №1457489, Кл. МПК⁵ Е21В 43/24, опубл. в Бюл. №37, 07.10.91, авторы Н.И.Кускова, Р.А.Максутов, П.П.Малюшевский, О.Н.Сизоненко, А.В.Соколов, В.И.Щекин), 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 снаружи трубчатой эластичной (резиновой) мембраной. Внутренняя полость корпуса заполнена диэлектрической жидкостью. Образующаяся после электрического пробоя диэлектрической жидкости парогазовая полость вызывает перемещение жидкости в полости и за ее пределами, так как эластичная мембрана не влияет на гидродинамику процессов и передачу в призабойную зону скважины интенсивных ударных волн и гидропотоков, воздействующих на пласт.

В этом устройстве благодаря гидроизоляции с помощью эластичной мембраны диэлектрической жидкости от минерализованной скважинной жидкости параметры электрического разряда и ударной волны остаются квазистатическими до тех пор, пока электрохимическая коррозия материала электродов не начнет повышать проводимость диэлектрической жидкости. Это обычно происходит, когда число разрядов превышает 1000.

Недостатки электродной системы с эластичной (резиновой) мембраной:

- еще до начала электрогидравлической обработки призабойной зоны нефтяной скважины, а именно при спуске электрогидроимпульсного устройства на интервал перфорации, резиновая мембрана, расположенная поверх корпуса электродной системы, может быть содрана с корпуса системы солевыми наростами и неоднородностями на стенках обсадной колонны и стыках муфт обсадной колонны;

- при электрогидравлической обработке интервала перфорации, для которого характерно наличие вокруг перфорационных (пулевых или кумулятивных) отверстий острых кромок, своего рода кратеров, и вдоль которого электрогидроимпульсное устройство несколько раз перемещается и производит до 500 разрядов на один погонный метр, резиновая мембрана на электродной системе с высокой вероятностью может быть разрезана на вышеуказанных острых кромках перфорационных отверстий.

В любом случае разрыв мембраны и разгерметизация электродной системы приведет к тому, что минерализованная скважинная жидкость попадет в межэлектродный промежуток, электрический разряд подобно току в жидкостном резисторе станет объемным, а не нитевидным, соответственно, взрывного перегрева воды не будет и ударная волна будет иметь малую амплитуду. В результате интервал перфорации нефтяной скважины от асфальтосмолистых и парафиновых отложений не будет очищен и дебит скважины останется на прежнем уровне.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству - прототипом является электродная система скважинного электрогидравлического устройства (см. патент РФ №2317413, МПК Е21В 43/24, опубл. 20.02.2008, Бюл. №5, авторы Картелев А.Я., Сидоров А.А.), содержащая положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, центральный токоподвод к положительному электроду, изолятор центрального токоподвода к положительному электроду, при этом отрицательный электрод соединен с дном корпуса, положительный электрод выполнен в форме конуса, направленного вершиной к отрицательному электроду, в вершине конуса закреплен наконечник из эрозионно-стойкого металла, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода нанесено изолирующее покрытие, корпус системы выполнен с возможностью упора в него основания изолированного конуса положительного электрода.

Недостатки прототипа - электродной системы с изолированным положительным электродом (анодом) и неизолированным отрицательным электродом (катодом):

- при работе в соленой морской воде (сейсморазведка на море) или при работе на нефтяных месторождениях с контурами заводнения в межэлектродный промежуток электродной системы поступает проводящая морская вода или минерализованная скважинная жидкость. Вследствие этого электрический разряд между электродами системы становится объемным, как в жидкостном резисторе, а не нитевидным, соответственно, плотность тока мала, взрывной перегрев воды не происходит и ударная волна имеет малую амплитуду. В результате в первом случае сейсморазведка становится невозможной, а во втором случае интервал перфорации обсадной колонны от асфальтосмолистых и парафиновых отложений не очищается и дебит нефтяной скважины не повышается;

- при работе в скважинной жидкости, представляющей собой малообводненную нефть с хорошими изоляционными свойствами, электрический пробой между положительным и отрицательным электродами системы затруднен. По этой причине приходится уменьшать зазор между электродами и работать практически в режиме короткого замыкания, что опасно для конденсаторных модулей скважинного электрогидравлического устройства.

Задача настоящих изобретений - повышение эффективности и стабильности работы электродной системы скважинного электрогидравлического устройства как в условиях наличия на интервале перфорации минерализованной пластовой жидкости, так и малообводненной нефти с хорошими изоляционными свойствами.

Техническим результатом от использования изобретения по первому варианту является увеличение плотности тока в межэлектродном промежутке и степени разогрева минерализованной пластовой жидкости между анодом и катодом электродной системы, что приводит к облегчению условий образования в жидкости парогазового пузыря и последующему электрическому пробою пузыря и, соответственно, к генерации мощного сейсмического импульса и скоростного гидропотока.

Техническим результатом от использования изобретения по второму варианту является снижение напряжения и энергии пробоя непроводящей скважинной жидкости в несколько раз по сравнению с обычным искровым пробоем скважинной жидкости, что приводит к более безопасному (без перенапряжений на конденсаторных модулях) режиму работы электрогидроимпульсного устройства и увеличению амплитуды ударной волны и скоростного гидропотока.

В обоих вариантах изобретения окончательным техническим результатом является увеличение амплитуды ударной волны и ее стабилизация.

Указанный технический результат в первом варианте изобретения достигается за счет того, что в электродной системе, содержащей положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, центральный токоподвод к положительному электроду, при этом отрицательный электрод соединен с дном корпуса, положительный электрод выполнен в форме конуса, направленного вершиной к отрицательному электроду, в вершине конуса закреплен наконечник из эрозионно-стойкого металла, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода и центральный токоподвод к нему нанесено изолирующее покрытие, корпус выполнен с возможностью упора в него основания изолированного конуса положительного электрода, новым является то, что отрицательный электрод выполнен в виде стержня, боковая поверхность отрицательного электрода покрыта изолятором, при этом диаметр выступающей из изолятора части отрицательного электрода выполнен равным или меньшим диаметра наконечника положительного электрода.

Кроме того, диаметры d наконечника положительного электрода и выступающей части отрицательного электрода и расстояние l между электродами могут быть выполнены из соотношения

l·d²≤Е₀/(Е_уд·ρ),

где E₀ - энергия, накопленная в конденсаторных модулях электрогидроимпульсного устройства и выделяемая в канале разряда, Дж; Е_уд - удельная энергия парообразования воды или скважинной жидкости, равная 2,3 кДж/г; ρ - плотность воды, равная 1 г/см³. Изолятор отрицательного электрода может быть выполнен в виде конуса, обращенного вершиной к положительному электроду.

Указанный технический результат во втором варианте изобретения достигается за счет того, что в электродной системе новым является то, что отрицательный электрод выполнен в виде конуса или полусферы, обращенных вершиной или полюсом к положительному электроду, поверхность отрицательного электрода, обращенная к положительному электроду, покрыта изолятором, при этом наконечник положительного электрода приближен к поверхности изолятора отрицательного электрода или касается ее.

Кроме того, изоляция отрицательного электрода выполнена из испаряющихся под действием токовой плазмы твердых диэлектриков, например из керамики на основе оксидов алюминия, циркония, кремния и.т.п.

Связь отличительных признаков электродной системы по первому варианту с положительным эффектом

Покрытие боковой поверхности отрицательного электрода изолятором и выполнение диаметра выступающей из изолятора части отрицательного электрода равным или меньшим диаметра наконечника положительного электрода приводит:

а) к резкому сужению зоны растекания тока: ток с анода в предлагаемой системе идет преимущественно только в осевом направлении и на кончик изолированного катода, что стабилизирует и увеличивает электрическое сопротивления межэлектродного промежутка до уровня Ra=2(1/πσd), где σ - проводимость скважинной жидкости; d - диаметр наконечника анода, а также приводит к концентрации электромагнитной энергии и ее энерговыделению непосредственно в промежутке между анодом и катодом. В прототипе ток анода растекается по радиусам сферы (направляется и на неизолированный катод, и на корпус электродной системы), соответственно, плотность тока быстро уменьшается по мере удаления от анода;

б) к увеличению напряженности электрического поля в районе катода и эмиссии электронов с катода и к увеличению плотности электрического тока по всему межэлектродному промежутку до уровня j_a=(Uo/Ra)/(πd²/2), где Uo - напряжение между анодом и катодом электродной системы; Ra - активное электрическое сопротивление жидкости между положительным и отрицательным электродами; d - диаметр наконечника положительного электрода (анода).

Вследствие этого плазменные «кусты» с анода и катода электродной системы начинают прорастать друг в друга, плотность энергии, выделяемой в прианодной и прикатодной областях, оказывается одного порядка с плотностью энергии в плазме искрового разряда, температура скважинной минерализованной жидкости в этих областях повышается, образуется общая для анода и катода парогазовая полость, которая теряет свою проводимость и пробивается электрическим полем, электрический пробой парогазовой прослойки завершается мощным электрогидравлическим ударом.

Выполнение диаметров d наконечника положительного электрода и выступающей части отрицательного электрода и расстояния l между электродами из соотношения l·d²≤E₀/(E_уд·ρ), где Е₀ - энергия, накопленная в конденсаторных модулях электрогидроимпульсного устройства и выделяемая в канале разряда, Дж; Е_уд - удельная энергия парообразования воды или скважинной жидкости, равная 2,3 кДж/г; ρ - плотность воды, равная 1 г/см³, обеспечивает условие достаточности электрической энергии конденсаторных модулей аппарата для быстрого (за несколько микросекунд) фазового перехода «столбика» минерализованной скважинной жидкости между электродами системы в пар и образования ударной волны и скоростного гидропотока.

Выполнение изолятора отрицательного электрода в виде конуса, обращенного вершиной к положительному электроду, приводит к тому, что конические изоляторы анода и катода образуют вместе биконический раструб, направляющий ударную волну и гидропоток скважинной жидкости на стенку обсадной колонны и в призабойную зону скважины. Это локализует и увеличивает ударно-волновое воздействие разряда и ускоряет процесс очистки стенки обсадной колонны от солевых, асфальтосмолистых и парафиновых отложений.

Связь отличительных признаков электродной системы по второму варианту с положительным эффектом:

Покрытие всей поверхности отрицательного электрода, обращенной к положительному электроду, изолятором и приближение наконечника положительного электрода к изолятору отрицательного электрода позволяет реализовать поверхностный электрический пробой в скважинной жидкости и снизить напряжение и энергию пробоя скважинной жидкости в несколько раз по сравнению с обычным искровым пробоем скважинной жидкости. Это приводит к более безопасному (без перенапряжений на конденсаторных модулях) режиму работы электрогидроимпульсного устройства. И это особенно важно, если скважинная жидкость представляет собой малообводненную нефть с хорошими изоляционными свойствами.

Выполнение отрицательного электрода в виде конуса или полусферы, обращенных вершиной или полюсом к положительному электроду, обеспечивает возможность локализации и направления ударной волны и гидропотока скважинной жидкости на стенку обсадной колонны и в призабойную зону скважины.

Выполнение изоляции отрицательного электрода из испаряющихся под действием токовой плазмы твердых диэлектриков, например из керамики на основе оксидов алюминия, циркония, кремния и.т.п., позволяет увеличить метательный эффект полусферического или конического поверхностного разряда (увеличить амплитуду и скорость ударной волны, отходящих от поверхности изоляции и направляемых на стенку обсадной колонны).

Электродных систем с заявленными отличительными признаками в научно-технической и патентной литературе не обнаружено. Все известные электродные системы проектируются с учетом рекомендаций родоначальника электрогидравлического эффекта Л.А.Юткина: путем предельного уменьшения активной (т.е. соприкасающейся с жидкостью) площади положительного электрода, что обеспечивается изоляцией практически всей его поверхности, при одновременном увеличении активной (инжектирующей электроны) площади отрицательного электрода, что обеспечивается неизолированием отрицательного электрода и корпуса электродной системы от скважинной жидкости (см. книгу Л.А.Юткин «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986).

В нашем случае сделано наоборот - активная (контактирующая со скважинной жидкостью) площадь отрицательного электрода минимизирована путем изолирования его боковой поверхности и уменьшения диаметра (токового сечения).

На фиг.1 и 2 показаны в разрезе варианты исполнения заявляемой электродной системы скважинного электрогидравлического устройства. На фиг.3 и 4 приведены осциллограммы напряжения (положительные импульсы) и тока разряда (отрицательные импульсы) в электродной системе по первому варианту, когда между ее электродами находится минерализованная скважинная жидкость-раствор высокомолекулярного стекла, а длина l зоны энерговыделения составляет 18 и 6 мм соответственно.

Электродная система в обоих вариантах исполнения содержит (см. фиг.1 и 2) положительный электрод 1 и отрицательный электрод 2, установленные соосно друг против друга в трубчатом металлическом корпусе 3. Положительный электрод 1 выполнен в виде конуса и имеет в вершине конуса эрозионно-стойкий наконечник 4, а в основании конуса - центральный цилиндрический токоподвод 5. Положительный электрод 1 направлен вершиной к отрицательному электроду 2 и имеет поперечные размеры и массу, превышающие аналогичные параметры токоподвода 5. Поверхность положительного электрода 1 покрыта слоем изоляции 6 как со стороны боковой поверхности конуса, так и со стороны его основания. Центральный токоподвод 5 изолирован по боковой цилиндрической поверхности. В качестве изолирующего покрытия 6 положительного электрода 1 и центрального токоподвода 5 использован полипропилен или полиуретан. Изолирование положительного электрода 1 и центрального токоподвода 5 выполнено одновременно (за один технологический цикл) в специальной пресс-форме.

Корпус 3 в обоих вариантах электродных систем выполнен из стальной трубы с возможностью упора в него основания изолированного конуса положительного электрода 1. В боковой поверхности корпуса 3 выполнены несколько окон - продольных прорезей 8, расположенных напротив межэлектродного промежутка и предназначенных для сообщения электродной системы со скважинной жидкостью и выхода (высокоскоростного выброса) жидкости при электрическом разряде. Диаметр и длина корпуса 3 электродной системы в обоих вариантах исполнения одни и те же: 102 и 400 мм соответственно.

В электродной системе по первому варианту исполнения (см. фиг.1) отрицательный электрод 2 выполнен в виде стального или медного стержня, установленного по оси конического изолятора 7, выполненного, например, из стеклопластика и обращенного вершиной к положительному электроду 1. Благодаря изолятору 7 боковая поверхность отрицательного электрода 2, обращенная к положительному электроду 1, оказывается изолированной от скважинной жидкости и от положительного электрода 1. Со скважинной жидкостью контактирует только выступающая из изолятора 7 часть - кончик отрицательного электрода 2. Диаметр d выступающей из изолятора части - кончика отрицательного электрода 2 - выполнен равным или меньшим диаметра d наконечника 4 положительного электрода 1. В нижнюю часть корпуса 3 ввинчена металлическая заглушка 9 с центральным отверстием с резьбой. С помощью этой заглушки осуществляется одновременно поджатие изолятора 7 и электрическое соединение отрицательного электрода 2 с корпусом 3 системы, служащим обратным токопроводом. Расстояние l между положительным 1 и отрицательным 2 электродами регулируется путем простого поворота (вращения) отрицательного электрода 2 в центральном резьбовом отверстии в заглушке 9. Окончательное положение отрицательного электрода 2 и величина расстояния l фиксируются (закрепляются) контргайкой 10.

Наиболее оптимальным для электродной системы по первому варианту (см. фиг.1) является выполнение диаметров d выступающей из изолятора 7 части - кончика отрицательного электрода 2 и наконечника положительного электродов и расстояния l между положительным и отрицательным электродами из соотношения l·d²≤Е₀/(Е_уд·ρ), где Е₀ - энергия, накопленная в конденсаторных модулях электрогидроимпульсного устройства и выделяемая в канале разряда, Дж; Е_уд - удельная энергия парообразования воды или скважинной жидкости, равная 2,3 кДж/г; ρ - плотность воды, равная 1 г/см³.

В электродной системе по второму варианту (см. фиг.2) отрицательный электрод 2 выполнен в виде металлической полусферы, обращенной полюсом к положительному электроду 1. Наружная поверхность отрицательного электрода 2, обращенная к положительному электроду 1, покрыта изолятором 7, выполненным по типу манжеты, например, из резины или полиуретана. Благодаря этому вся активная поверхность отрицательного электрода 2 оказывается изолированной от скважинной жидкости и от положительного электрода 1. Отрицательный электрод 2 ввинчивается вместе с изолятором (манжетой) 7 в нижнюю часть корпуса 3 системы. Наконечник 4 положительного электрода 1 касается изолятора 7 отрицательного электрода 2.

Электродная система по первому варианту работает по принципу (механизму) электротеплового пробоя. После подачи на положительный электрод - анод 1 высокого напряжения (Uo=30 кВ) через минерализованную скважинную жидкость как электролит с проводимостью σ начинает течь ток импульсной короны, величина которого

I_o=(Uo/Ra)=π dσU_o≈1 kA (d - диаметр наконечника 4 положительного электрода 1, Ra=(1/πσd) - сопротивление прианодного слоя электролита). Максимальная плотность тока короны достигается у торца наконечника 4 положительного электрода j_a=(U_o/Ra)/(πd²)≥10⁷A/м². Достигаемая при этом плотность выделения мощности N₀=j_a ²/σ≥10¹⁴ Вт/м³ оказывается достаточной для преобразования за время пробоя t_пр≤10^-6 с тонкого слоя электролита в плазменный слой. По мере дальнейшего подвода электроэнергии (общее время энерговыделения примерно равно τ=3RаС, где С - емкость конденсаторных модулей аппарата) происходит как бы «выгорание» полусферических слоев электролита и продвижение плазменного «куста» от положительного электрода (анода) 1 к отрицательному электроду (катоду) 2. По достижении ветвей плазменной короны отрицательного электрода - катода 2 происходит замыкание электрической цепи и ток увеличивается до 20-30 кА. Резкий бросок тока приводит к перегреву электролита и образованию парогазовой полости. Расширяющийся канал разряда порождает ударную волну, расширяющаяся парогазовая полость - скоростной гидропоток. Ударная волна и скоростной гидропоток обтекают конические изоляторы 6 и 7 положительного 1 и отрицательного электродов 2 и выходят из корпуса 3 через окна 8 электродной системы в призабойную зону нефтяной скважины с минимальными потерями.

Электродная система по второму варианту работает по принципу (механизму) поверхностного пробоя. После подачи на положительный электрод - анод 1 высокого напряжения (Uo=10-30 кВ) ток импульсной короны начинает растекаться по поверхности изолятора 7, покрывающего отрицательный электрод (катод) 2, при этом образуются два конкурирующих токовых канала: один в виде расширяющегося плазменного диска по поверхности изолятора 7, другой в виде емкостного тока через толщу изолятора 7 к отрицательному электроду - катоду 2. Скорость расширения плазменного диска по поверхности изолятора 7 составляет примерно 10 км/с (для сравнения в устройстве фиг.1 скорость продвижения канала разряда от аноду 1 к катоду 2 в скважинной жидкости в 2-3 раза меньше). На первой стадии, длящейся 8-10 мкс, поверхностный ток мал и определяется током зарядки распределенной емкости изолятора 7 относительно катода 2 i_c=d(UC)/dt=8ε_oεU_ot_фрV_it, где ε_о - абсолютная диэлектрическая постоянная вакуума, ε - относительная диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика, t_фр - длительность фронта импульса напряжения, V_i - скорость движения плазмы в жидкости по поверхности твердого диэлектрика. По достижении плазменным диском боковой цилиндрической поверхности металлического корпуса 3 электродной системы происходит закорачивание электрической цепи, ток в плазменном диске резко увеличивается и происходит полный разряд конденсаторных модулей электрогидравлического устройства, в состав которого входит электродная система. Резкий бросок тока приводит к перегреву прилегающего к твердому диэлектрику слоя электролита и поверхности твердого диэлектрика. Пары скважинной жидкости и поверхностных слоев твердого диэлектрика быстро расширяются и порождают ударную волну в виде полусферы или конуса. Ударная волна и порождаемый ею гидропоток скважинной жидкости отражаются от полусферического изолятора 7 и выходят через окна 8 электродной системы под углом к ее оси, ударяют по стенке обсадной колонны и разрушают и смывают солевые и асфальтосмолистые отложения со стенок обсадной колонны (или открытого ствола скважины).

Автор изготовил опытный образец электродной системы по первому варианту (см. фиг.1) и испытал ее при работе в минерализованной воде - в растворе высокомолекулярного стекла с концентрацией 5%. Это высокомолекулярное жидкое стекло используется в нефтяных скважинах для блокирования обводненных пропластков. В электродной системе фиг.1 диаметры d наконечников положительного и отрицательного электродов были одинаковыми и равными 6 мм, расстояние l изменялось в диапазоне от 6 до 18 мм. В качестве источника электрической энергии использовался скважинный электрогидравлический аппарат «ЭРА-1» с одним конденсаторным модулем емкостью 2 мкФ и коммутатором с напряжением срабатывания 25 кВ (запасаемая энергия аппарата составила соответственно 625 Дж).

Результаты испытаний электродной системы фиг.1 показали, что:

- при расстоянии между электродами l=18 мм и, соответственно, соотношении l·d²=1,8 cм·(0,6 cм·0,6 см)=0,648 cм³>E₀/(E_yд·ρ)=0,625 кДж/(2,3 кДж/г·1 г/cм³)=0,272cм³ амплитуда тока разряда не превышает 3,6-4,4 кА, длительность импульса тока составляет примерно 15 мкс, ударная волна практически отсутствует (см. осциллограмму фиг.3);

-при расстоянии между электродами 1=6 мм и, соответственно, соотношении l·d²=0,6 cм·(0,6 cм·0,6 см)=0,216 cм³<E₀/(E_yд·ρ)=0,625 кДж/(2,3 кДж/г·1 г/cм³)=0,272cм³ амплитуда тока разряда в жидкости увеличилась примерно в 3 раза и достигла 11,6-13 кА, длительность импульса тока уменьшилась до 8 мкс, ударная волна в жидкости по акустическому эффекту приблизилась к разряду в технической воде от украинского скважинного электроразрядного аппарата «Скиф-4» (см. осциллограмму фиг.4).

При дальнейшем уменьшении значения l·d² - объема зоны энерговыделения (который в большей степени зависит от диаметров наконечников положительного и отрицательного электродов, чем от расстояния между ними) амплитуда ударной волны от разряда в минерализованной скважинной жидкости или морской воде сравняется с амплитудой волны от электрического разряда в пресной воде.

Таким образом, автору удалось простыми конструктивными решениями -изолированием катода и минимизацией значения l·d² (объема зоны энерговыделения) - повысить амплитуду разрядного тока аппарата и амплитуду ударной волны и, соответственно, обеспечить производительную работу электродной системы скважинного электрогидравлического аппарата в минерализованной скважинной жидкости и морской воде. В аналоге это было сделано при помощи ненадежного элемента типа резиновой оболочки снаружи электродной системы.

Claims (5)

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, токоподвод к положительному электроду, при этом отрицательный электрод соединен с дном корпуса, положительный электрод выполнен в форме конуса, направленного вершиной к отрицательному электроду, в вершине конуса закреплен наконечник из эрозионно-стойкого металла, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода и токоподвод к нему нанесено изолирующее покрытие, корпус выполнен с возможностью упора в него основания конуса положительного электрода, отличающаяся тем, что отрицательный электрод выполнен в виде стержня, боковая поверхность отрицательного электрода покрыта изолятором, при этом диаметр выступающей из изолятора части отрицательного электрода выполнен равным или меньшим диаметра наконечника положительного электрода.

2. Электродная система по п.1, отличающаяся тем, что диаметры d наконечника положительного электрода и выступающей части отрицательного электрода и расстояние l между электродами выполнены из соотношения
l·d²≤Е₀/(Е_уд·ρ),
где E₀ - энергия, накопленная в конденсаторных модулях электрогидроимпульсного устройства и выделяемая в канале разряда Дж;
Е_уд - удельная энергия парообразования воды или скважинной жидкости, равная 2,3 кДж/г; ρ - плотность воды, равная 1 г/см³.

3. Электродная система по п.1, отличающаяся тем, что изолятор отрицательного электрода выполнен в виде полусферы или конуса, обращенных вершиной или полюсом к положительному электроду.

4. Электродная система скважинного электрогидравлического устройства, содержащая положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, токоподвод к положительному электроду, при этом отрицательный электрод соединен с дном корпуса, положительный электрод выполнен в форме конуса, направленного вершиной к отрицательному электроду, в вершине конуса закреплен наконечник из эрозионно-стойкого металла, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода и токоподвод к нему нанесено изолирующее покрытие, корпус выполнен с возможностью упора в него основания конуса положительного электрода, отличающаяся тем, что отрицательный электрод выполнен в виде конуса или полусферы, обращенных вершиной или полюсом к положительному электроду, поверхность отрицательного электрода, обращенная к положительному электроду, покрыта изолятором, наконечник положительного электрода приближен или касается изолятора отрицательного электрода.

5. Электродная система по п.4, отличающаяся тем, что изолятор отрицательного электрода выполнен из испаряющихся под действием токовой плазмы твердых диэлектриков, например из керамики на основе оксидов алюминия, циркония, кремния и.т.п.

Images