АКУСТИЧЕСКАЯ ИЗЛУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА ИНТЕНСИФИКАЦИИ НЕФТЕДОБЫЧИ
ACOUSTIC RADIATING SYSTEM FOR INTENSIFICATION OF OIL PRODUCTION

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли промышленности и может быть использовано для предотвращения солеотложения в нефтедобывающем оборудовании в процессе интенсификации нефтедобычи.
Солеобразования представляют собой отложения, закупоривающие перфорационные каналы, обсадные и эксплуатационные колонны НКТ, клапаны, насосы, а также внутреннюю поверхность скважинного оборудования, засоряя, таким образом, скважину и препятствуя потоку жидкости. Солеотложения образуются во всех местах течения нефти обводненной соляным раствором - от насосного оборудования до оборудования, находящегося на поверхности. Прямые затраты на удаление солевых отложений из одной скважины могут достигать несколько миллионов долларов, а затраты в виде потерянной продукции еще больше. Для конкретного нефтепромысла эти затраты достигают огромных величин. Поэтому профилактика солеобразования является самым эффективным способом обеспечения интенсификации добычи углеводородов. Предотвращение солеотложений в скважинах, нефтепромысловом оборудовании и системах внутрипромыслового сбора и подготовки нефти является основным направлением в борьбе с данным процессом, как негативным явлением [1].
Для предотвращения солеотложений в нефтепромысловом оборудовании применяют химические, технологические и физические методы. Химические методы используют ингибиторы отложения солей. Технологические включают в себя операции по отключению обводненных интервалов, применение защитных покрытий поверхности оборудования и др. Химические методы требуют больших объемов реагентов и ухудшают экологию районов, где они применяются. Технологические методы не предупреждают полностью отложения солей, но снижают интенсивность роста их образования.
Физические методы основаны на обработке потока жидкости магнитными и акустическими полями. Применение технологии акустической обработки нефтедобывающего оборудования является эффективным и экологически чистым методом предотвращения отложения солей в оборудовании нефтяных скважин, нефтепромысловом оборудовании и системах внутрипромыслового сбора и подготовки нефти.
Известны акустические излучающие системы (АИС), использующие акустические излучатели большого диаметра (90-120 мм), предназначенные для спускоподъемных операций через открытое устье скважин и обеспечивающие длительную (в течение 10-30 дней) обработку продуктивной зоны низкочастотными (50-500 Гц) сигналами [2] при капитальном ремонте скважин. К недостаткам низкочастотных АИС относится применение громоздких скважинных излучателей с электропитанием через силовой трехжильный кабель, возможность спускоподъемных операций только на насосно-компрессорных трубах (НКТ), значительная трудоемкость и большая длительность обработки, а также низкая эффективность очистки ближней зоны.
Известны акустические излучающие системы, использующие высокочастотные акустические излучатели малого диаметра (38-45 мм) с электропитанием через геофизический кабель, обеспечивающие спускоподъемные операции через колонну НКТ и позволяющие производить обработку продуктивной зоны действующих скважин с фонтанным и газлифтным способом добычи [3, 4]. Недостатком известных малогабаритных высокочастотных акустических излучателей является пониженная акустическая мощность (не более 0,3-0,7 кВт) и, как следствие, низкая эффективность использования для интенсификации и реабилитации средне и низко дебитных скважин.
Известны акустические излучающие системы [5] с высокочастотным излучателем большого диаметра (более диаметра НКТ) повышенной акустической мощности 1-2 кВт, формирующим равномерную цилиндрическую волну высокочастотных акустических колебаний ряда частот технологического диапазона, обеспечивающих эффективную обработку ближней зоны выработки, одновременно возбуждая в дальней зоне низкочастотные колебания нелинейного взаимодействия ряда частот технологического диапазона. Поскольку акустический излучатель имеет диаметр больше диаметра НКТ, спускоподъемные операции осуществляются через открытое устье скважины с использованием геофизического кабеля. Следствием открытого устья скважины является обеспечение акустической обработки только в условиях компрессии. При спускоподъемных операциях через открытое устье скважины создание избыточного давления, посредством глушения скважины жидкостью повышенной плотности, является обязательным условием безопасной работы. Акустическая обработка в условиях избыточного давления в соляном растворе высокой плотности не позволяет обеспечить вынос загрязняющих отложений из продуктивной зоны непосредственно в процессе обработки. Последующие штатные технологические операции по выводу скважины на рабочий режим посредством создания депрессии не позволяют полностью очистить коллектор скважины, что значительно снижает эффективность акустической обработки.
Наиболее близкой к предлагаемой акустической излучающей системе является акустическая излучающая система, описание которой приведено в [6]. Акустическая излучающая система-прототип содержит последовательно соединенный многоканальный задающий генератор, многоканальный фазоимпульсный модулятор, выходы которого подключены к входам соответствующих усилителей мощности, подключенными выходами к входам согласующего устройства, выход которого соединен через геофизический кабель с акустическим излучателем либо первого, либо второго технологических диапазонов частот.
Многоканальность задающего генератора, фазоимпульсного модулятора и усилителя мощности обеспечивает возбуждение акустического излучателя высокочастотными полигармоническими сигналами, для одновременного воздействия на ближнюю зону выработки высокочастотными колебаниями и на дальнюю зону выработки низкочастотными колебаниями, формируемыми при нелинейном взаимодействии исходных полигармонических сигналов.
Акустическая излучающая система-прототип может быть эффективно использована для повышения результативности акустической обработки. Поскольку акустическая излучающая система многоканальная и задающий генератор имеет возможность перестройки по частоте, то она может быть скомпонована для подключения различных акустических излучателей. Это позволяет, после завершения обработки продуктивной зоны скважины акустическим излучателем большого диаметра в режиме компрессии, произвести обработку продуктивной зоны скважины излучателем малого диаметра уже в условиях депрессии, при выводе скважины в рабочий режим, когда акустический излучатель опускается в продуктивную зону через колонну НКТ, что улучшает вынос частиц загрязнителя и восстанавливает фильтрационные свойства коллектора.
Недостатком рассмотренных акустических систем и акустической излучающей системы-прототипа является незащищенность нефтедобывающего оборудования от солевых отложений. При солеобразовании главную роль играет вода, поскольку она сама является его источником. Вода представляет собой хороший растворитель для многих веществ и способна при этом переносить большие количества растворенных минеральных солей. Все природные воды содержат растворенные компоненты, увлекаемые ввиду их контакта со средой. Это приводит к образованию сложных растворов, богатых ионами, некоторые из которых находятся на пределе насыщения для определенных минеральных фаз. Общее содержание растворенных солей в породах может достигать 400000 мг/л. Солеобразование начинается в тот момент, когда состояние любого природного раствора нарушено путем превышения растворимости одного или более компонентов.
Учитывая изложенное, очевидно, что проблема солеотложения на нефтедобывающем оборудовании особенно остро ощущается на обводненных промыслах, и на промыслах, где для повышения дебита скважин используется закачка воды в продуктивный пласт через нагнетательные скважины. Большое количество воды с растворенными в ней солями на грани насыщения, протекая через нефтедобывающее оборудование, способствует интенсивному отложению солей на внутренних поверхностях этого оборудования.
Для формирования солевого осадка ему нужно постепенно «вырасти» из раствора. Первая стадия его развития начинается с насыщенного раствора в виде образования нестабильных кластеров атомов, а сам процесс называется гомогенной нуклеацией. Далее, под воздействием локальных флуктуаций ионов насыщенного раствора атомные кластеры образуют маленькие кристаллы-зародыши. Эти кристаллы постепенно растут за счет адсорбции ионов на дефектных участках поверхности кристаллов, увеличивая свой размер. Таким образом, при достаточно большой степени перенасыщения формирование зародышевых кристаллов будет вызывать увеличение роста солевых отложений. В данном случае зародышевые кристаллы играют роль своего рода катализаторов в образовании солевых осадков.
Рост кристаллов также имеет тенденцию к инициированию на уже имеющейся границе между твердым телом и жидкостью процесса, называемого гетерогенной нуклеацией. Местами возникновения гетерогенной нуклеации являются такие дефекты поверхности, как неровности поверхностей труб, перфорационные отверстия эксплуатационных колонн, а также стыки и сварные швы труб. Высокая степень турбулентности также способна катализировать процесс солеотложения. Таким образом, накопление осадка может произойти под воздействием давления насыщения в потоке. Это и объясняет столь быстрое накопление осадка на скважинном оборудовании. В результате происходит сужение эффективного сечения насосно-компрессорных труб, нарастание загрязнений на насосном оборудовании, что приводит к понижению дебита скважин и требует периодического проведения трудоемких ремонтных работ с необходимостью утилизации продуктов очистки.
Задачей предлагаемого изобретения является предотвращение солеотложения в нефтедобывающем оборудовании.
Техническими результатами от использования изобретения является деструкция нестабильных кластеров атомов и кристаллов-зародышей при протекании перенасыщенного соляного раствора в акустическом поле, тем самым активно препятствуя их дальнейшему росту и образования солевых отложений (гетерогенной нуклеации), с последующим выносом из скважины в виде мелкокристаллического соляного шлама.
Для решения этой задачи в акустическую излучающую систему интенсификации нефтедобычи, содержащую последовательно соединенные многоканальный задающий генератор, многоканальный фазоимпульсный модулятор, многоканальный ключевой усилитель мощности, первое согласующее устройство, первое устройство фильтрации, образующие в совокупности передающий тракт первого технологического диапазона частот, а также геофизический кабель и акустические излучатели первого и второго технологических диапазонов частот, причем выход первого устройства фильтрации через геофизический кабель подключен к акустическому излучателю первого технологического диапазона частот, введены новые признаки, а именно в ее состав введены технологический кабель и технологическая камера, а также передающий тракт второго технологического диапазона частот, состоящий из последовательно соединенных одноканального задающего генератора, одноканального фазоимпульсного модулятора, одноканального ключевого усилителя мощности, второго согласующего устройства и второго устройства фильтрации, причем выход второго устройства фильтрации через технологический кабель подключен к акустическому излучателю второго технологического диапазона частот, при этом акустический излучатель первого технологического диапазона частот установлен в продуктивной зоне нефтедобывающей скважины, а акустический излучатель второго технологического диапазона частот размещен в технологической камере, включенной в состав промыслового трубопровода.
Для предотвращения отложения солей в наземном оборудовании, перед транспортировкой через промысловый трубопровод до зоны сепарации нефти, скважинный флюид подвергается повторной акустической обработке в технологической камере. Таким образом, в результате применения предлагаемого технического решения обеспечивается предотвращение солеотложений в нефтедобывающем оборудовании и промысловых трубопроводах в условиях значительного увеличения межремонтного периода добывающего оборудования. Особенностью предложенной акустической излучающей системы, в отличие от акустической системы прототипа, является возможность одновременной работы излучателей первого и второго технологических диапазонов во время стандартного технологического процесса добычи нефтепродукта, что повышает ее эффективность.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена структурная схема предлагаемого устройства.
Предложенная акустическая излучающая система (фиг. 1) содержит передающий тракт первого технологического диапазона частот, содержащий последовательно соединенные N-канальный задающий генератор 1, N-канальный фазоимпульсный модулятор 2, N-канальный ключевой усилитель 3 мощности, согласующее устройство 4 первого технологического диапазона частот, устройство 5 фильтрации первого технологического диапазона частот, выход которого через геофизический кабель 8 подсоединен к акустическому излучателю 7 первого технологического диапазона частот. Заявленная акустическая система содержит также передающий тракт второго технологического диапазона частот, в который входят последовательно соединенные одноканальный задающий генератор 10 с девиацией частоты, одноканальный фазоимпульсный модулятор 11, одноканальный ключевой усилитель 12 мощности, согласующее устройство 13 второго технологического диапазона частот и устройство 14 фильтрации второго технологического диапазона частот, к которому через технологический кабель 9 подключен акустический излучатель 6 второго технологического диапазона частот. Излучатель 6 размещен в технологической камере 15.
Первый технологический диапазон частот равен 16-20 кГц и определяется условиями максимально эффективного воздействия на ближнюю зону скважины цилиндрической волной акустических колебаний и препятствия солеотложению на внутренних поверхностях скважинного оборудования. В предлагаемой акустической излучающей системе используется излучатель 7 диаметром 107 мм [4]. Излучатель первого технологического диапазона частот обеспечивает излучение акустической мощности 2-3 кВт при длине активной базы 800 мм. При возбуждении акустического излучателя полигармоническими сигналами, наряду с ближней зоной скважины, акустическому воздействию будет подвергаться и дальняя зона.
В качестве излучателя второго технологического диапазона частот используется ультразвуковой цилиндрический излучатель с активной базой 1600 мм, обеспечивающий излучение в диапазоне частот 25-35 кГц при акустической мощности 1,5-2 кВт. Передающий тракт второго технологического диапазона частот выполнен моноканальным, поскольку нет необходимости излучения низкочастотных колебаний. В отличие от передающего тракта первого технологического диапазона частот, здесь введена девиация частоты излучаемого сигнала. Девиация частоты позволяет более эффективно использовать акустические излучатели, как правило, имеющие резонансный характер импедансных характеристик, величины которых зависят от температуры, статического давления и плотности окружающего флюида. Фазоимпульсный модулятор 11, введенный в состав передающего тракта второго технологического диапазона частот, позволяет регулировать мощность сигнала возбуждения акустического излучателя. Акустический излучатель устанавливается в специальной технологической камере 15 таким образом, чтобы весь протекающий через внутренний объем камеры добытый флюид максимально подвергался воздействию акустического поля. Таким образом, акустическая обработка в технологической камере препятствует образованию соляных отложений в наземном нефтепромысловом оборудовании и системах промыслового сбора подготовки нефти.
Возбуждение акустического излучателя первого технологического диапазона частот обеспечивается группой каналов многоканального ключевого усилителя 3 мощности через устройство согласования 4 и устройство фильтрации 5. Управление группами каналов ключевого усилителя мощности в первом технологическом диапазоне частот реализуется группами каналов задающего генератора 1 и группами каналов фазоимпульсного модулятора 2. Возбуждение акустического излучателя второго технологического диапазона частот обеспечивается одноканальным ключевым усилителем 12 мощности через устройство согласования 13 и устройство фильтрации 14. Управление усилителем мощности второго технологического диапазона частот осуществляется задающим генератором 10 с девиацией частоты и фазоимпульсным модулятором 11.
В результате обеспечивается наиболее эффективное возбуждение акустического излучателя 7 полигармоническими сигналами в полосе частот первого технологического диапазона и возбуждение акустического излучателя 6 гармоническим сигналом с девиацией частоты в полосе частот второго технологического диапазона. Выбор полосы технологических частот определяется как из условий наиболее результативной акустической обработкой флюида в продуктивной зоне и технологической камере, так и техническими особенностями акустических излучателей, при этом обеспечивается возможность одновременной работы излучателей первого и второго технологических диапазонов во время стандартного технологического процесса добычи нефтепродукта. Работа заявляемой акустической системы осуществляется следующим образом. Во время проведения плановых или специальных ремонтных операций на скважине акустический излучатель 7 первого технологического диапазона частот подключается к выходу геофизического кабеля, через открытое устье скважины доставляется в продуктивную зону и фиксируется на этой глубине. Далее, в зависимости от способа добычи на данной скважине, с использованием колонны НКТ устанавливается соответствующее добывающее оборудование: фонтанное, газлифтное, УЭЦН или ШГН. Геофизический кабель электропитания акустического излучателя первого технологического диапазона проходит при этом в затрубном пространстве и на устье скважины герметизируется при помощи отдельного сальника. Согласно известному способу [7] установки комбинированного скважинного насосно-компрессорного оборудования возможна установка скважинного акустического излучателя совместно с УЭЦН в условиях общей технологической связи с фиксацией геофизического кабеля к колонне НКТ.
Акустический излучатель 6 второго технологического диапазона частот подключается к выходу технологического кабеля и размещается в специально изготовленной технологической камере 15, которая включена в состав наземного нефтепромыслового оборудования. Технологическая камера, при необходимости, может быть дополнительно снабжена клапаном для введения ингибитора, для усиления эффекта препятствия солеотложению в трубопроводе.
При запуске скважины в промышленную эксплуатацию подается полигармоническое возбуждение на акустический излучатель 7 первого технологического диапазона частот, который формирует в продуктивной зоне скважины упругие волны высокочастотных акустических колебаний в ближней зоне (в объеме обсадной колонны) и низкочастотных колебаний нелинейного взаимодействия ряда частот в дальней зоне.
По мере заполнения нефтепродуктами технологической камеры подается возбуждение на акустический излучатель 6 второго технологического диапазона частот. Акустические поля соответствующих частот и мощности в продуктивной зоне скважины и технологической камере обеспечивают обработку углеводородного сырья, что препятствует отложению солей в подземном и наземном оборудовании скважины. При введении ингибитора в объем технологической камеры акустическое воздействие является катализатором, позволяющим минимизировать концентрацию ингибитора.
При значительном содержании солей в скважинном флюиде комбинированная акустическая обработка в продуктивной зоне скважины и технологической камере промыслового трубопровода препятствует отложению солей в нефтедобывающем оборудовании и стенках трубопровода, что увеличивает срок межремонтного периода более чем в 2-3 раза.
В результате внедрения предлагаемой акустической излучающей системы, в отличии от известных устройств, в том числе и устройства прототипа, впервые в процессе добычи достигается одновременная обработка скважинного флюида в продуктивной зоне и промысловом трубопроводе, что обеспечивает эффективность применения акустического воздействия для предотвращения солеотложений и улучшения эксплуатационных характеристик нефтедобывающих скважин.
Источники информации
1. М. Крабтри (Шотландия), Д. Эслингер, Ф. Флетчер, М. Миллер (США). Борьба с солеоложениями - удаление и предотвращение их образования. \\ Ойл ревью, осень 1998.
2. Боголюбов Б.Н. Интенсификация добычи нефти низкочастотным акустическим воздействием // Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений. №9, 2000 г., с. 80-85.
3. Печков А.А., Шубин А.В. Результаты работ по повышению продуктивности скважин методом акустического воздействия // Геоинформатика. №3, 1998 г., с. 16-23.
4. Патент РФ №2047280. Акустический излучатель. Опубликовано БИ №30, 27.10.95.
5. Патент РФ №2162519. Способ акустической обработки продуктивной зоны скважины и устройство для его реализации. Опубликовано 27.01.2001.
6. Полезная модель РФ №31148. Опубликовано БИ №20, 20.07.2003.
7. Патент РФ №2370647. Способ гидродинамических исследований скважины установкой электроцентробежного насоса. Опубликовано 20.10.2009.