СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ВЫРАВНИВАНИЯ ФРОНТА ЗАВОДНЕНИЯ НЕФТЯНОГО ПЛАСТА
METHOD FOR ACOUSTIC BALANCING OF FLOOD FRONT OF OIL BED

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к области разработки нефтяных месторождений.
Известен способ разработки месторождения закачкой воды в нефтяной пласт через систему нагнетательных скважин и вытеснения нефти к забоям добывающих скважин [1. Патент РФ №2090744, E21B 43/20].
Недостаток данного способа заключается в неравномерном продвижении фронта закачиваемой воды как по толщине пласта, так и по площади залежи. Следствием этого является малый безводный период эксплуатации скважин, добыча больших объемов попутной воды, а это, в свою очередь, требует увеличенных мощностей по закачке воды и подготовке нефти.
Наиболее близким по технической сущности является явление коагуляции частиц в стоячих звуковых волнах [2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Главный редактор И.П.Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - С.161-162].
Данное явление можно использовать для формирования, например, гелевых пробок в крупных щелях (используя законы гидродинамики) путем закачки с водой гелевых частиц в крупные щели, задержки их в высокочастотных стоячих волнах, коагуляции и разбуханием, перекрывая каналы. В результате происходит перераспределение потоков воды в мелкие щели, выравнивая тем самым фронт нагнетаемой воды.
Технической задачей изобретения является разработка акустической технологии выравнивания фронта заводнения нефтяного пласта. При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет исключения высокопроницаемых участков пласта, в том числе крупных трещин, сформированных гидроразрывом пласта, заполнением гелевой системой, переносимой потоком воды с последующей задержкой ее в пучностях высокочастотных стоячих волн.
Технический результат достигается за счет того, что способ акустического выравнивания фронта заводнения нефтяного пласта, содержащего нагнетательные и добывающие скважины, расположенные в неоднородном по проницаемости пласте с крупными и мелкими трещинами, в том числе сформированными гидроразрывом пласта, предусматривает следующие операции:
- предварительно с торца насосно-компрессорной трубы, обращенной к забою нагнетательной скважины, выполняют ряд отверстий, предназначенных для истечения нагнетаемой воды и излучения турбулентного низкочастотного звука,
- дополнительно размещают на торце насосно-компрессорной трубы четвертьволновые резонаторы для преобразования указанного турбулентного низкочастотного звука в диапазон высоких частот,
- осуществляют спуск насосно-компрессорных труб в скважину,
- далее закачивают воду с добавлением частиц геля, которые под воздействием стоячих волн коагулируются, разбухают и перекрывают крупные трещины,
- нагнетаемая вода распределяется в направлении добывающих скважин по мелким трещинам, выравнивая фронт заводнения нефтяного пласта.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе с помощью высокочастотной стоячей волны, размещенной в крупных трещинах, и разбуханием геля, приводящим к созданию пробки, выравнивается фронт заводнения нефтяного пласта.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявленного способа с другими известными техническими способами показывает, что способ закачки технической воды в нагнетательные скважины для вытеснения нефти из нефтяного пласта известен [1].
Наличие крупных трещин приводит к неравномерности фронта заводнения нефтяного пласта и, как следствие, к неравномерности дебита добывающих скважин.
Однако неизвестно, что для создания равномерного кругового фронта заводнения нефтяного пласта можно в крупных трещинах сформировать высокочастотную стоячую волну. При этом равномерно распределить по пучностям колебательной скорости высокочастотной стоячей волны частицы геля с последующей коагуляцией и их набуханием. Результатом набухания геля в крупных трещинах является создание пробки, что позволяет исключить из охвата потоком крупные трещины и выравнивает фронт заводнения пласта.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Решение технической задачи основано на положениях:
1. Наличие низкочастотных звуковых колебаний в диапазоне 0-600 Гц (фиг.1, а) в скважине, генерируемых потоком воды через отверстия, выполненные на торце насосно-компрессорной трубы.
2. Преобразования низкочастотного звука на резонансных частотах f(1)=100 Гц с полосой Δf(1), f(3)=300 Гц с полосой Δf(3), f(5)=500 Гц с полосой Δf(5) в область высоких частот f(7)=700 Гц (фиг.1, б) одним четвертьволновым резонатором или другим четвертьволновым резонатором, размещенным последовательно с первым, на резонансных частотах f(2)=200 Гц с полосой Δf(2), f(4)=400 Гц с полосой Δf(4), f(6)=600 Гц с полосой Δf(6) (фиг.1, в).
3. Распространение высокочастотного звука 5 (фиг.2) по крупным трещинам 3 (фиг.2).
4. В крупных трещинах формируются высокочастотные стоячие волны.
5. Закачка загустителя, например геля, согласно законам гидродинамики будет распространяться через крупные трещины - как по каналам с высокой проницаемостью.
6. Задержка частиц геля в пучностях колебательной скорости высокочастотной стоячей волны и их разбухание приводит к пробкам.
7. Крупные трещины 3 (фиг.2) исключаются из процесса заводнения, а нагнетаемая вода направляется по мелким трещинам 4 (фиг.2) (по участку низкой проницаемости).
8. Гелевые пробки равномерно распределяются в крупные трещины по пучностям колебательной скорости стоячей волны.
Согласно расчетной формуле f=c/λ (где f - частота (Гц), c - скорость звука в воде, м/с, λ - длина волны, м) определяется половина длины волны, равная длине щели (один полупериод стоячей волны).
Например, при длине щели в 1 м (при скорости звука в воде с=1500 м/с), что соответствует λ/2 (частота f=750 Гц). Данная частота появляется при трансформации низкочастотного спектра четвертьволновыми резонаторами в высокочастотный спектр. При длине трещины в 1 м сформируется только одна гелевая пробка, а при длине щели в 10 м - 10 гелевых пробок.
Покажем возможность использования акустической коагуляции частиц геля в высокочастотной звуковой стоячей волне, созданной в замкнутом пространстве, например, в крупной трещине.
1. Волны и колебательная скорость
Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид [3]:
Частным решением уравнения (1) является
a
где  - смещение частицы среды относительно положения покоя; A - амплитуда смещения; ώ - угловая частота; t - время.
Выражение (2) описывает плоскую гармоническую волну частоты f=ώ/2π, распространяющуюся в положительном направлении оси x.
Дифференцируя (2) по t, получаем для скорости частицы среды - так называемой колебательной скорости
Следовательно, амплитуда колебательной скорости
Величина U определяет ту максимальную скорость, с которой частицы движутся в процессе колебаний.
Согласно выражению (4) скорость частицы колеблется между этой величиной и нулем.
2. Интерференция волн. Стоячие волны.
Явления, связанные с одновременным существованием в некоторой точке среды нескольких колебаний, называют интерференцией.
Явления интерференции играют важную роль в излучении звука.
Особенно важную роль играет интерференция при распространении двух одинаковых волн в противоположных направлениях. Колебания, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлениях по оси х, можно описать формулами:
Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение
из которого непосредственно вытекает, что в точках , где n=1, 2, 3…
a
обращается в нуль, смещение , тождественно равно нулю; это имеет место при х, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых  по абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.
Выражение для колебательной скорости в стоячей волне найдем, дифференцируя выражение
Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.
3. Давление в стоячей волне
Обратимся теперь к вопросу о распределении давления в стоячей волне. В волне, распространяющейся в направлении сил оси х, давление p пропорционально изменению смещения вдоль х, т.е. величине . Дифференцируя выражение (7) по х, получим:
Таким образом, в стоячей волне и звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду в исходных бегущих волнах [3].
4. Акустическая коагуляция
Уже давно было известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [4] в связи с работами Бьеркнеса [5]. На этом явлении основаны отчасти возникновение пылевых фигур в трубках Кундта.
Брандт и Фройнд [6] и Брандт и Гидеман [7] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.
Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля.
На основании этих опытов Брандт и Гидеман различают две стадии коагуляции. Вначале частицы принимают участие в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом они в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами они продолжают увеличиваться, а затем выпадают в осадок.
5. Коагуляция частиц в стоячей звуковой волне.
Г
Пусть в потоке жидкости с динамической вязкостью ή, колеблющемся с амплитудой U и частотой f, находится частица с радиусом R и плотностью ρ. Согласно закону Стокса [3] сила трения, действующая на частицу,
где Δν - разность скоростей частицы и жидкости.
Согласно формуле (10) скорость частицы
Движение частицы описывается дифференциальным уравнением
или
Общее решение этого уравнения имеет вид [2]
Непериодический член отображает переходный процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходный процесс не оказывает уже никакого влияния.
Таким образом, амплитуда колебания частицы равна
Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением
Отношение амплитуд  будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.
2
Таким образом, для оценки степени участия частицы в колебаниях жидкости определяющей является величина Rf.
Если принять значение  за границу, до которой частицы еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения
получим
Величина z определяет степень участия частицы в колебаниях жидкости.
Таким образом, соотношение (18) позволяет рассчитать частоты, необходимые для создания стоячих звуковых волн с целью коагуляции с последующим выпадением их в осадок.
Согласно приведенным выше положениям физической сущности достигается акустическая коагуляция частиц.
На фиг.1 показаны частотные спектры турбулентных звуков, генерируемых насосно-компрессорной трубой и преобразованных четвертьволновыми резонаторами.
На фиг.2 показано распространение высокочастотного звука сформированными четвертьволновыми резонаторами от нагнетательной скважины в направлении добывающих скважин.
На фиг.3 показана технологическая схема выравнивания фронта заводнения нефтяного пласта.
На фиг.4 показаны волна давления в высокочастотной стоячей волне, сформированной в крупной щели, и процесс движения частиц геля к узлам - первый этап коагуляции частиц геля.
На фиг.5 показаны волна колебательной скорости в высокочастотной стоячей волне, сформированной в крупной щели, и процесс движения частиц геля в пучностях - второй этап коагуляции частиц геля.
На фиг.6 показаны коагулированные частицы геля в пучностях колебательной скорости в высокочастотной стоячей волне - третий этап коагуляции частиц геля.
На фиг.7 показан объем разбухших коагулированных частиц геля в пучностях колебательной скорости в высокочастотной стоячей волне - гелевые пробки, сформированные для задержки нагнетаемой воды через крупные трещины.
На фиг.8 показана схема процесса исключения движения потока воды по крупным трещинам и выровненного фронта заводнения нефтяного пласта.
На фиг.1, а изображен частотный спектр турбулентного низкочастотного звука в диапазоне 0-600 Гц, генерируемого отверстиями, выполненными на торце насосно-компрессорной трубы, обращенными к перфорационным отверстиям скважины.
На фиг.1, б показано распределение энергии резонансных частот f(1) - 100 Гц, f(3) - 300 Гц и f(5) - 500 Гц турбулентного низкочастотного звука с полосами частот Δf(l), Δf(3) и Δf(5), трансформированные первым четвертьволновым резонатором, размещенным на торце насосно-компрессорной трубы, в область высоких частот 700 Гц и выше.
На фиг.1, в показано распределение энергии резонансных частот f(2) - 200 Гц, f(4) - 400 Гц и f(6) - 600 Гц турбулентного низкочастотного звука с полосами частот Δf(2), Δf(4) и Δf(6), трансформированных вторым четвертьволновым резонатором, размещенным последовательно с первым четвертьволновым резонатором, в область высоких частот 700 Гц и выше.
На фиг.1, г показано суммарное распределение энергии резонансных частот f(1) - 100 Гц с полосой частот Δf(l), f(2) - 200 Гц с полосой частот Δf(2), f(3) - 300 Гц с полосой частот Δf(3), f(4) - 400 Гц с полосой частот Δf(4), f(5) - 500 Гц с полосой частот Δf(5) и f(6) - 600 Гц с полосой частот Δf(6) - в область высоких частот 700 Гц и выше.
На фиг.2 показано: 1 - нагнетательная скважина, 2 - добывающие скважины, 3 - крупные трещины, 4 - мелкие трещины, 5 - распространение высокочастотного звука от нагнетательной скважины в направлении добывающих скважин для формирования в крупных трещинах высокочастотных стоячих волн.
На фиг.3 показано: 1 - нагнетательная скважина, 3 - крупная трещина, 4 - мелкие трещины, 6 - насосно-компрессорная труба, 7 - пакер, 8 - отверстия на торце насосно-компрессорной трубы для истечения воды и излучения низкочастотного звука, 9 - низкочастотный звук, генерируемый отверстиями, выполненными на торце насосно-компрессорной трубы, 10 - первый четвертьволновой резонатор, 11 - второй четвертьволновой резонатор, соединенный последовательно с первым, 12 - высокочастотный звук, преобразованный четвертьволновыми резонаторами из низкочастотного диапазона, 13 - пласт, 14 - перфорационные отверстия, выполненные в обсадной колонне, 15 - вода, 16 - высокочастотная стоячая волна, сформированная в крупной щели, 17 - частицы геля.
На фиг.4 показано: 3 - крупная трещина, 17 - частицы геля, 18 - волна давления в высокочастотной стоячей волне, 19 - узел в волне давления, 20 - направление движения частиц геля в узел высокочастотной волны.
На фиг.5 показано: 3 - крупная трещина, 17 - частицы геля, 21 - волна колебательной скорости в высокочастотной стоячей волне, 22 - направление движения частиц геля в волне колебательной скорости высокочастотной стоячей волны.
На фиг.6 показано: 3 - крупная трещина, 17 - частицы геля в волне колебательной скорости высокочастотной стоячей волны, 21 - волна колебательной скорости высокочастотной стоячей волны, 23 - объем коагулированных частиц геля в пучности волны колебательной скорости высокочастотной стоячей волны.
На фиг.7 показано: 3 - крупная трещина, 21 - волна колебательной скорости высокочастотной стоячей волны, 24 - разбухшие частицы геля в крупной щели, 25 - гелевая пробка.
На фиг.8 показано: 1 - нагнетательная скважина, 2 - добывающие скважины, 3 - крупные трещины, 4 - мелкие трещины, 25 - гелевые пробки в крупных трещинах, 26 - направление потока воды от нагнетательной 1 к добывающим 2 скважинам по мелким трещинам 4, 27 - фронт заводнения нефтяного пласта.
Для осуществления способа акустического выравнивания фронта заводнения нефтяного пласта, содержащего нагнетательные и добывающие скважины, которые расположены в неоднородном по проницаемости пласте с крупными и мелкими трещинами, в том числе сформированными гидроразрывом пласта, проводят следующие операции.
Первая операция
Перед спуском в нагнетательную скважину 1 (фиг.3) насосно-компрессорных труб 6 (фиг.3) в ее торце, обращенной к забою, выполняют любым известным способом, например фрезой, отверстия 8 (фиг.3) для истечения нагнетаемой воды 15 (фиг.3) и излучения низкочастотного звука 9 (фиг.3).
Вторая операция
Размещают на торце насосно-компрессорной трубы 6 (фиг.3) как минимум два четвертьволновых резонатора 10 и 11 (фиг.3) для преобразования низкочастотного звука 9 (фиг.3) в диапазон высоких частот 12 (фиг.3).
Третья операция
Компоновку насосно-компрессорных труб 6 с резонаторами 10 и 11 (фиг.3) спускают в нагнетательную скважину 1 (фиг.3), через насосно-компрессорные трубы осуществляют подачу воды 15 в пласт 13.
Четвертая операция
В нагнетаемую воду 15 (фиг.3) добавляют частицы геля 17 (фиг.3).
При этом высокочастотным звуком 12 (фиг.3), генерируемым четвертьволновыми резонаторами 10 и 11 (фиг.3) через перфорационные отверстия 14 (фиг.3), заполняют крупные трещины 3 (фиг.3), в которых формируются высокочастотные стоячие волны 16 (фиг.3).
При этом частицы геля 17 (фиг.3), переносимые потоком воды 15 (фиг.3) по крупным трещинам 3 (фиг.3), задерживаются и под действием волны давления 18 (фиг.4) переносятся к узлу 19 (фиг.4), а в пучностях волны колебательной скорости 21 (фиг.5) равномерно распределяются вдоль высокочастотной стоячей волны 16 (фиг.3) и коагулируются (фиг.6).
При этом объеме 23 (фиг.6) коагулированные частицы геля 17 (фиг.6) за время задержки в пучностях высокочастотной стоячей волны 16 (фиг.3) разбухают 24 (фиг.7) и перекрывают движение потока воды 15 (фиг.3) по крупным трещинам 3 (фиг.7).
При этом исключение движения потока воды 15 (фиг.3) по крупным трещинам 3 (фиг.8) за счет гелевых пробок 25 (фиг.8) в них приводит к равномерному распределению нагнетаемой воды 15 по мелким трещинам 4 (фиг.8), выравнивая фронт заводнения 27 (фиг.8) нефтяного пласта 13 (фиг.3) в направлении добывающих скважин 2 (фиг.8).
Источники информации
1. Патент РФ №2090744, E21B 43/20.
2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Главный редактор И.П.Голямина. - М.: Советская энциклопедия. 1979. - С.161-162 /ПРОТОТИП/.
3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.23-25, 489-491, 495-497.
4. König W., Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d.Phys. (3), 42, 353, 549 (1891).
5. Bjerknes C.A. Remarques historiques sur la theori du mouvement d'un ou de plusieurs corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur les forces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s'y rattachent, Compt. Rent., 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867).
6. Brandt., Über das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall - und Ultraschallfrequenzen, Kolloid / Zs., 76, 272 (1936).
7. Brandt O., Hiedenmann E., Űber das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936).