Скважинный акустический излучатель
DOWNHOLE ACOUSTIC RADIATOR

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для воздействия на призабойную зону нефтяных скважин.
Работы по применению акустического воздействия на продуктивные пласты нефтяных скважин и нагнетательные скважины проводятся с 1986 года, и в настоящее время известны несколько конструкций, создающих такое воздействие. В ходе этих работ было показано, что повышение нефтеотдачи месторождений напрямую зависит от увеличения радиуса эффективного воздействия скважинного акустического излучателя на призабойную зону нефтяных скважин.
Известные в настоящее время конструкции скважинных излучателей используют рабочие частоты 20-30 кГц, что предполагает достаточно быстрое затухание акустической волны в прискважинном пространстве, а подача высокочастотного электропитания на указанные излучатели от наземного генератора по соединительному геофизическому кабелю приводит при использовании этих частот к потерям в кабеле до 50% энергии на высокочастотный нагрев и, соответственно, к резкому падению КПД системы. Диаметр современных нефтедобывающих скважин позволяет расположить активные элементы излучателей только по оси скважины, а следовательно, излучение от торцевых поверхностей излучателей, имеющих небольшую площадь, направлено в осевом направлении, что также снижает эффективность акустического воздействия.
Известно устройство для акустического воздействия на продуктивные пласты нефтяных скважин [патент РФ 2026970], содержащее наземный индикаторный блок и блок питания, соединенные посредством кабеля со скважинным прибором, включающим генератор, акустический излучатель, выполненный в виде нескольких стержневых магнитострикционных преобразователей, при этом скважинный прибор выполнен трехсекционным и в него введен локатор муфт и преобразователь, причем в нижней секции, заполненной трансформаторным маслом, размещен акустический излучатель и компенсатор давления, выполненный в виде сильфона. В средней секции, заполненной трансформаторным маслом не более чем на 75% объема под атмосферным давлением, установлен генератор, а в верхней секции размещен локатор муфт, преобразователь и датчик измерительной системы.
Недостатком этого устройства является то, что излучение от торцевых поверхностей излучателя происходит в осевом направлении, а также экранируется корпусом. Поверхность, излучающая акустическую энергию, имеет небольшую площадь. В результате это устройство имеет небольшой радиус эффективного воздействия на призабойную зону. Кроме того, применение в конструкции устройства компенсатора давления, выполненного в виде сильфона, снижает надежность работы устройства, т.к. прямое воздействие на сильфон акустического поля может повредить крепление сильфона и вывести его из строя.
Известно также скважинное термоакустическое устройство (скважинный акустический излучатель) [патент РФ 2161244], содержащее опорный корпус, состоящий из открытой части, контактирующей со скважинной жидкостью через окна, выполненные в опорном корпусе, и герметичной части, заполненной электроизоляционной жидкостью и имеющей воздушную полость, находящуюся под атмосферным давлением, при этом в опорном корпусе расположены акустический отражатель и стержневой магнитострикционный преобразователь, который жестко закреплен в опорном корпусе над акустическим отражателем, причем верхняя излучающая поверхность магнитострикционного преобразователя взаимодействует с воздушной полостью, а расстояние между отражающей поверхностью акустического отражателя и излучающим торцом магнитострикционного преобразователя равно нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте магнитострикционного преобразователя, причем окна, выполненные в открытой части опорного корпуса, расположены между излучающим торцом магнитострикционного преобразователя и отражающей поверхностью акустического отражателя. Кроме того, на стержни магнитострикционного преобразователя напрессован дополнительный корпус для передачи тепла, а герметичная часть опорного корпуса образована путем заливки внутренней полости магнитострикционного преобразователя термостойким эпоксидным компаундом, который после отвердевания превращается со всей системой в монолит.
Недостатком этого устройства является то, что излучающая поверхность также имеет небольшую площадь и работает в осевом направлении, что снижает радиус эффективного воздействия скважинного акустического излучателя на призабойную зону. Другим недостатком этого устройства является наличие напрессованного на стержне магнитострикционного преобразователя дополнительного корпуса, а также заливка магнитострикционного преобразователя термостойким эпоксидным компаундом, что приводит к механическим напряжениям элементов устройства, уменьшению амплитуды колебаний излучающего торца магнитострикционного преобразователя и ухудшению теплоотдачи, что снижает коэффициент полезного действия и эффективность воздействия устройства на призабойную зону. Кроме того, из-за разности коэффициентов теплового расширения материала, из которого изготовлены стержни магнитострикционного преобразователя и термостойкого эпоксидного компаунда, герметичность соответствующей части опорного корпуса при высоких перепадах температуры и давления в скважинах может быть нарушена, что приведет к выходу устройства из строя и делает устройство ненадежным в эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому решению является скважинный акустический излучатель [патент РФ 2196217], содержащий опорный корпус, состоящий из открытой части, контактирующей со скважинной жидкостью через выполненные в открытой части опорного корпуса окна, и герметичной части, заполненной электроизоляционной жидкостью и имеющей воздушную полость, находящуюся под атмосферным давлением. В опорном корпусе расположен стержневой магнитострикционный преобразователь, верхняя часть которого взаимодействует с упомянутой воздушной полостью. В опорном корпусе дополнительно расположен акустический волновод, соединенный с магнитострикционным преобразователем посредством пайки, а также в средней своей части, совпадающей с нулевой точкой колебаний, жестко и герметично, посредством сварного шва, соединенный с опорным корпусом, разделяя его на открытую и герметичную части, причем нижняя торцевая поверхность акустического волновода расположена в открытой части опорного корпуса.
Недостатком этого устройства является то, что устройство излучает энергию в осевом направлении с торца волновода, имеющего небольшую площадь, что определяет невысокую акустическую мощность устройства и, следовательно, небольшой радиус эффективного воздействия скважинного акустического излучателя на призабойную зону, а жесткое и герметичное соединение акустического волновода с опорным корпусом посредством сварного шва делает конструкцию практически неремонтопригодной при выходе из строя обмотки магнитострикционного преобразователя.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение радиуса эффективного воздействия скважинного акустического излучателя на призабойную зону нефтяных скважин за счет увеличения акустической мощности, радиальной направленности акустического излучения и уменьшения километрического затухания акустической волны в окружающем пространстве при повышении надежности и ремонтопригодности.
Поставленная задача достигается тем, что скважинный акустический излучатель, содержащий опорный корпус с полостью и окнами, в котором расположены стержневой магнитострикционный преобразователь с электрической обмоткой на его стержнях и акустический волновод, верхняя торцевая поверхность которого соосно соединена с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя посредством пайки, при этом акустический волновод в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру герметично соединен с опорным корпусом и верхний торец магнитострикционного преобразователя расположен в полости, согласно изобретению снабжен излучающим элементом, акустический волновод выполнен в форме цилиндра, переходящего в убывающий конус, при этом цилиндрическая часть акустического волновода расположена в опорном корпусе, а коническая - вне корпуса и верхний торец излучающего элемента соединен соосно с нижним торцом акустического волновода резьбовым соединением, магнитострикционный преобразователь длиной 200-280 мм выполнен из пермендюра, окна расположены по периметру опорного корпуса двумя рядами, первый из которых находится на уровне верхних витков электрической обмотки магнитострикционного преобразователя, а второй - на уровне нижних ее витков.
При этом:
- соединение опорного корпуса с акустическим волноводом выполнено в виде резьбового соединения;
- излучающий элемент выполнен в форме цилиндра или призмы с квадратным сечением.
Выполнение нижней части акустического волновода в виде конуса-концентратора позволило увеличить амплитуду колебаний его торца, соединенного с введенным в скважинный акустический излучатель излучающим элементом, и, соответственно, увеличить амплитуду колебаний излучающего элемента и площадь излучения акустической волны, что повышает акустическую мощность скважинного акустического излучателя и тем самым увеличивает радиус его эффективного воздействия на призабойную зону. Акустическая волна, переданная от акустического волновода к излучающему элементу, возбуждает в нем собственные колебания, направленные нормально к поверхности излучающего элемента, то есть радиально к стволу скважины, что позволяет резко увеличить излучающую поверхность, а следовательно, также увеличивает радиус его эффективного воздействия на призабойную зону.
Выполнение магнитострикционного преобразователя длиной 200-280 мм позволило получить рабочую частоту 8-12 кГц, что позволяет достичь радиуса эффективного воздействия на прискважинное пространство 8-10 м за счет увеличения амплитуды колебаний магнитострикционного преобразователя, а следовательно, и акустической мощности, меньшего километрического затухания акустической волны в окружающей среде, а также существенно снизить потери энергии в соединительном кабеле. Выполнение магнитострикционного преобразователя длиной более 280 мм может привести к появлению в магнитострикционном преобразователе изгибных колебаний и выходу скважинного акустического излучателя из строя. Выполнение магнитострикционного преобразователя длиной менее 200 мм приведет к увеличению рабочей частоты выше 12 кГц, что уменьшит амплитуду колебаний, повысит потери в кабеле и увеличит километрическое затухание акустической волны в прискважинном пространстве, что, соответственно, снизит эффективность воздействия.
Выполнение опорного корпуса полностью открытым за счет двух рядов окон, расположенных на уровне верхних и нижних витков обмотки магнитострикционного преобразователя соответственно, позволяет осуществить эффективный отвод тепла от магнитострикционного преобразователя. Расположение окон по периметру опорного корпуса двумя рядами, первый из которых находится на уровне верхних витков электрической обмотки магнитострикционного преобразователя, а второй - на уровне нижних ее витков, обеспечивает заполнение полости за счет известного эффекта обезгаживания жидкостей в акустическом поле выделившимся из нефти попутным газом, что в свою очередь обеспечивает полное отражение колебаний от верхней излучающей поверхности магнитострикционного преобразователя и благодаря хорошему акустическому контакту с акустическим волноводом обеспечивает удвоение амплитуды колебаний нижнего торца волновода, что повышает акустическую мощность скважинного акустического излучателя и тем самым увеличивает радиус его эффективного воздействия на призабойную зону.
Выполнение излучающего элемента скважинного акустического излучателя в форме цилиндра или призмы с квадратным сечением обеспечивает наибольшую мощность акустического излучения, что подтверждено серией опытов, проведенной авторами на базе лаборатории углеродных наноматериалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук. В ходе опытов исследовалась эффективность акустического воздействия сменных излучающих элементов различной формы, а именно цилиндра, цилиндра с переменным по длине диаметром, конуса, конуса из трех конусов-концентраторов, излучателя грибовидной формы, призмы с квадратным сечением.
Оценка эффективности производилась по потере сухого веса разрушающейся под воздействием акустического излучения алюминиевой фольги толщиной 0,01 мм размерами 255 мм × 950 мм, имитирующей разрушение отложений, осевших в трещинах и порах пород, слагающих прискважинное пространство. Излучающий элемент помещали по центру решетчатого цилиндрического кондуктора диаметром 200 мм длиной 900 мм, по всей поверхности которого располагалась упомянутая фольга. Акустическое воздействие на фольгу осуществлялось в течение 30 с, использовали одни и те же магнитострикционные преобразователи и питающий генератор УЗГ2. Электрическая мощность генератора во всех случаях устанавливалась одинаковая - 2,5 кВт. Результаты опытов приведены в таблице.
Как видно из таблицы, максимальная потеря веса фольги происходит при работе излучателей цилиндрической формы и призматической формы.
Соединение опорного корпуса с акустическим волноводом путем резьбового соединения повышает ремонтопригодность скважинного акустического излучателя в случае его повреждения, что особенно важно в полевых условиях работы на скважинах.
Таким образом, достигаемый предлагаемым изобретением технический результат заключается в увеличении радиуса эффективного воздействия скважинного акустического излучателя на призабойную зону нефтяных скважин за счет увеличения акустической мощности, радиальной направленности акустического излучения и уменьшения километрического затухания акустической волны в окружающем пространстве при повышении надежности и ремонтопригодности.
На чертеже изображен заявляемый скважинный акустический излучатель, продольный разрез.
Скважинный акустический излучатель содержит открытый опорный корпус 1 с полостью 2 и окнами 3, в котором расположены стержневой магнитострикционный преобразователь 4 с электрической обмоткой 5 на стержнях 6 и акустический волновод 7, верхняя торцевая поверхность которого соосно соединена с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя 4 посредством пайки. Акустический волновод 7 выполнен в форме цилиндра, переходящего в убывающий конус, при этом цилиндрическая часть акустического волновода 7 расположена в опорном корпусе 1, а коническая - вне корпуса 1. К нижнему торцу акустического волновода 7 присоединен верхний торец излучающего элемента 8 резьбовым соединением 9. Излучающий элемент 8 выполнен в виде цилиндра либо призмы с квадратным сечением. В опорном корпусе 1 установлена стандартная геофизическая головка 10 марки НК-36 для соединения скважинного акустического излучателя с питающим кабелем (на чертеже не показан), соединенная посредством стандартных герметичных контактов 11 с электрическими обмотками 5 магнитострикционного преобразователя 4. Электрическая обмотка 5 выполнена из термобаростойкого провода ПТГ с фторопластовой изоляцией. Акустический волновод 7 в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, соединен с опорным корпусом 1 резьбовым соединением 12. Верхний торец магнитострикционного преобразователя 4 расположен в полости 2. Магнитострикционный преобразователь 4 выполнен из пермендюра длиной 200-280 мм, окна 3 расположены по периметру опорного корпуса 1 двумя рядами, первый из которых находится на уровне верхних витков электрической обмотки 5 магнитострикционного преобразователя 4, а второй - на уровне нижних ее витков.
Устройство работает следующим образом. От наземного генератора (на чертеже не показан) посредством геофизического кабеля через геофизическую головку 10 подается переменное напряжение рабочей частоты 8-12 кГц, соответствующей резонансной частоте магнитострикционного преобразователя 4. Одновременно от этого же генератора на эту же электрическую обмотку 5 подается постоянный ток подмагничивания (поляризации) 6-8 А. Стержневой магнитострикционный преобразователь 4 через акустический волновод 7 передает энергию акустической волны в излучающий элемент 8, возбуждая в нем собственные колебания, передающиеся непосредственно в окружающую среду. При работе скважинного акустического излучателя за счет известного эффекта обезгаживания жидкостей в акустическом поле из окружающей нефти происходит выделение попутного газа, который, скапливаясь в полости 2, обеспечивает полное отражение колебаний от верхней излучающей поверхности магнитострикционного преобразователя 4, что в свою очередь обеспечивает удвоение амплитуды колебаний нижнего торца акустического волновода 7.