СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ ПРИ НИЗКОМ ПЛАСТОВОМ ДАВЛЕНИИ
METHOD AND DEVICE FOR OIL EXTRACTION AT LOW FORMATION PRESSURE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для очистки внутренних стенок скважин и отверстий перфорации от твердых отложений, декольматации призабойной зоны пласта и увеличения подвижности пластовых флюидов.
Известен способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости (см. патент №2478438), при котором подают жидкость в камеру с кольцевым соплом и кольцевым выходным каналом, формируют кольцевую струю жидкости в камере между кольцевым соплом и кольцевым выходным каналом, достигают таким образом снижения статического давления в камере и создают при этом колебания давления с определенной частотой в объеме камеры и в кольцевой струе жидкости, вытекающей из устройства.
Этот способ основывается на способности струи возбуждать слабые локальные колебания давления в окружающем пространстве при натекании струи на предмет с острой кромкой, установленный навстречу потоку, будь то острый клин, кольцо или же кромка выходного отверстия в пластине. На выходном торце питающего сопла за острой кромкой постоянно крутится кольцевой вихрь, от которого со строгой периодичностью отрываются кольцевые структуры и увлекаются струей. При втекании струи в выходное отверстие эти кольцевые структуры ударяются об острую кромку отверстия и вызывают первичную генерацию колебаний давления в потоке в виде слабых локальных всплесков давления в области кромки. Если же конструктивно расположить входное сопло и выходное отверстие на определенном расстоянии и поместить их внутрь замкнутой камеры, имеющей определенные размеры, то можно таким образом еще и создать условия для существенного усиления первичных колебаний давления.
2
2
ст
В этом устройстве, внутри замкнутой камеры, между входным соплом и выходным отверстием статическое давление уменьшается на величину скоростного напора ρυ/2 струи в соответствии с законом Бернулли для энергоизолированного потока: ρυ/2+Р=const.
Эту способность струи подсасывать жидкость из окружающего пространства используют в струйных эжекторах. В этом смысле струйный насос представляет собой частный случай струйного эжектора.
Известен способ нефтедобычи при низком пластовом давлении, реализованный в устройстве (см. патент РФ №2094664), наиболее близкий по технической сущности и взятый в качестве прототипа, при котором устанавливают на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) пакер и струйный насос с кольцевым соплом и кольцевым диффузором, разделенными камерой разрежения с центральным всасывающим каналом, подают жидкость по НКТ в струйный насос, формируют кольцевую свободную струю жидкости в камере разрежения, в интервале между кольцевым соплом и кольцевым диффузором, достигают таким образом снижения статического давления в камере разрежения, обеспечивают подсасывание в нее нефти через центральный всасывающий канал и создают при этом колебания давления с определенной частотой в камере разрежения,
Этот способ применяют для извлечения нефти из пластов с низким пластовым давлением на завершающей стадии эксплуатации пласта, когда давление снизилось уже настолько, что нефть самотеком не выходит. Тогда в скважину опускают струйный насос, смонтированный на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) и по колонне НКТ прокачивают через него жидкость, подаваемую сверху насосом, обычно по замкнутому контуру. Струя жидкости создает разрежение внутри струйного насоса, нефть из пласта подсасывается (эжектируется) в струйный насос и затем увлекается потоком жидкости на поверхность. На поверхности жидкость отделяется от нефти и снова закачивается в скважину.
Добывающие нефтяные скважины периодически ремонтируют, прочищают от твердых отложений на внутренних стенках и в отверстиях перфорации обсадной трубы и устраняют засорение призабойной зоны (декольматируют). Известно, что создание колебаний давления в прилегающем к скважине участке пласта способствует выходу капиллярно защемленной нефти, декольматации призабойной зоны, что также приводит к увеличению дебита добывающих скважин. Целесообразно устанавливать излучатели колебаний давления непосредственно в том месте, где они наиболее востребованы, т.е. на нижнем конце НКТ. Волны давления, генерируемые этими устройствами, достаточно быстро затухают, и поэтому желательно располагать излучатели колебаний давления на забое, в непосредственной близости с объектом воздействия, а именно с отверстиями перфорации в обсадных трубах и призабойной зоной пласта.
Генерирование колебаний давления в потоке жидкости, циркулирующей в скважине, приводит к формированию волнового поля в призабойной зоне пласта, где собирается весь мусор. Волны давления средней частоты имеют низкую проницательную способность и распространяются вглубь пласта на считанные десятки сантиметров, увеличивая при этом подвижность песка, засоряющего капилляры и поры непосредственно вблизи со скважиной. Особую важность имеет создание волнового поля на добывающих скважинах непосредственно в процессе нефтедобычи.
Совмещение струйного насоса с генератором колебаний давления позволяет использовать энергию прокачиваемой жидкости как для создания необходимого разрежения в насосе для подсасывания нефти из пласта, так и для генерирования колебаний давления на забое.
В способе, взятом в качестве прототипа, колебания давления в потоке жидкости, поступающей в струйный насос, создаются вертушкой - колесом с лопастями. Вертушка установлена в трубе, через которую в струйный насос подается жидкость, приводится во вращение потоком прокачиваемой жидкости, и при своем вращении перекрывает своими лопастями сечение трубы. Такое периодическое перекрывание потока жидкости, конечно же, отрицательно сказывается на работе струйного насоса, поскольку засасывание нефти в насос обеспечивается наличием эжектирующей струи жидкости в камере струйного насоса, и при периодическом прекращении подачи жидкости по трубе в устройство давление в камере насоса станет периодически повышаться. Это приведет к уменьшению количества засасываемой в насос нефти.
Недостатком способа, взятого за прототип, является периодическое прекращение подачи жидкости в струйный насос вследствие перекрытия канала подводящей трубы лопастями вертушки.
Известно устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости (см. патент US 6029746), состоящее из входного сопла и выходного канала с плоским входным торцем, установленных соосно в полом цилиндрическом корпусе таким образом, что осевой интервал между входным соплом и выходным каналом образует камеру-резонатор.
Это устройство называют струйным генератором Гельмгольца (СГГ), или же струйным резонатором Гельмгольца (СРГ), хотя в тексте патента оно так не названо. В английском языке это название звучит, как Jet driven Helmholtz oscillator (JDHO). Но в русском языке термин “осциллятор” используют обычно в радиоэлектронике. В русскоязычной литературе встречается название “камера с двумя горлами”. В таком случае лучше уж называть “управляемый струей резонатор с двумя горлами”.
Устройство состоит из двух относительно самостоятельных элементов. Входное сопло, струя жидкости и выходной канал образуют собой струйный генератор колебаний давления, который функционирует и при отсутствии камеры-резонатора, хотя амплитуда генерируемых колебаний давления весьма невелика. Но если установить входное сопло и выходной канал внутрь настроенной камеры-резонатора, то амплитуда генерируемых колебаний давления многократно увеличится, хотя камера-резонатор станет усиливать столь же добросовестно любые колебания давления соответствующей частоты, приходящие извне.
Резонатор пассивен, он лишь откликается, т.е. усиливает колебания давления, созданные каким-то другим устройством, поскольку заключенный в нем столб жидкости почти неподвижен. Генератор активен, он сам создает колебания давления, поскольку в его составе имеется высокоскоростная струя, располагающая для этого запасом кинетической энергии.
Известно устройство для нефтедобычи при низком пластовом давлении (см.патент РФ №2094664), наиболее близкое по технической сущности и взятое за прототип, включающее, установленные на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) пакер и струйный насос, состоящий из кольцевого сопла, сформированного из двух профилированных втулок, и кольцевого диффузора, также сформированного из двух профилированных втулок с плоскими входными торцами, установленных соосно в полый цилиндрический корпус таким образом, что осевой интервал между кольцевым соплом и кольцевым диффузором образует камеру-резонатор с центральным всасывающим каналом.
Основное назначение струйного насоса состоит в том, чтобы эжектировать нефть из подпакерной области. При этом пакер служит для отделения контура, по которому циркулирует рабочая жидкость от подпакерной области, сообщающейся с пластом через отверстия перфорации в стенках обсадной колонны. Самотеком нефть выходить не может, вследствие невысокого пластового давления, и ее нужно высасывать. Для этого нужно затратить работу, например выкачивать погружным насосом или насосом, установленным на поверхности. При сложных условиях нефтедобычи: рыхлых коллекторах, высоковязкой нефти целесообразно использование струйных насосов.
Устройство струйного насоса, взятого за прототип, включает три основных элемента - подающий канал, отводящий канал и всасывающий канал. Подающий канал образован колонной НКТ, в которую ввинчен корпус струйного насоса, и кольцевым соплом с цилиндрическим горлом и расширяющейся частью. Отводящий канал образован кольцевым диффузором и пространством между стенками колонны НКТ и обсадной колонной. Подводящий и отводящий каналы разделены камерой разрежения, которая представляет собой полость между выходным срезом сопла и входом в диффузор. Всасывающий канал представляет собой трубу, проходящую сквозь пакер и соединяющую подпакерную область с камерой разрежения.
Рабочая жидкость, подаваемая по подводящему каналу со значительным избыточным давлением, разгоняется в кольцевом сопле, при этом статическое давление в кольцевой струе жидкости значительно снижается. Далее струя жидкости протекает через камеру разрежения и втекает в диффузор, где статическое давление снова увеличивается, а скорость уменьшается. Далее жидкость откачивается по отводящему каналу для дальнейшего использования.
Изюминкой конструирования струйного насоса является формирование камеры разрежения - полости с пониженным статическим давлением. Свободная струя жидкости эжектирует, т.е. подсасывает, окружающую среду и увлекает ее с собой в диффузор и далее в отводящий канал. Вследствие этого нефть из подпакерной области устремляется по трубе всасывающего канала в камеру разрежения и увлекается активной струей в диффузор и далее по отводящему каналу.
Авторы изобретения, взятого за прототип, предложили дополнить подводящий канал штатного струйного насоса вертушкой - лопастным прерывателем подачи жидкости. Прерывание подачи предназначено для формирования колебаний давления в подводящем канале и далее, в струе жидкости, протекающей через камеру разрежения, поскольку таким образом колебания давления в сплошной среде станут распространяться через всасывающий канал и достигнут подпакерной области, где смогут способствовать отслаиванию отложений на внутренней поверхности обсадной трубы и в отверстиях перфорации.
В представленных материалах авторы забыли указать на то обстоятельство, что прерывание подачи рабочей жидкости приведет к нарушению работы самого струйного насоса, а это недопустимо. Недопустимо дополнять струйный насос второстепенными агрегатами, которые нарушают работу насоса по основному назначению.
Целью настоящего изобретения является формирование колебаний давления в подпакерной области скважины без нарушения непрерывности подачи рабочей жидкости по подводящему каналу.
Технический результат достигается за счет того, что в способе нефтедобычи при низком пластовом давлении, при котором устанавливают на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) пакер и струйный насос с кольцевым соплом и кольцевым диффузором, разделенными камерой разрежения с центральным всасывающим каналом, подают жидкость по НКТ в струйный насос, формируют кольцевую свободную струю жидкости в камере разрежения, в интервале между кольцевым соплом и кольцевым диффузором, достигают таким образом снижение статического давления в камере разрежения, обеспечивают подсасывание в нее нефти через центральный всасывающий канал и создают при этом колебания давления с определенной частотой в камере разрежения, генерируют первичные колебания давления с определенной частотой в кольцевой свободной струе жидкости за счет направления этой струи на острые кромки кольцевого диффузора и усиливают первичные колебания давления в камере разрежения, частоту собственных колебаний которой настраивают в резонанс с частотой первичных колебаний давления.
В устройстве для нефтедобычи при низком пластовом давлении, включающем: установленные на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) пакер и струйный насос, состоящий из кольцевого сопла, сформированного из двух профилированных втулок, и кольцевого диффузора, также сформированного из двух профилированных втулок с плоскими входными торцами, установленных соосно в полый цилиндрический корпус таким образом, что осевой интервал между кольцевым соплом и кольцевым диффузором образует камеру-резонатор с центральным всасывающим каналом, отличающееся тем, что кольцевой диффузор выполнен с острыми входными кромками и осевой интервал между кольцевым соплом и кольцевым диффузором соответствует условию генерирования первичных колебаний давления определенной частоты, а объем камеры-резонатора сформирован из условия обеспечения резонанса и усиления амплитуды первичных колебаний давления.
Предложенный способ позволяет создавать колебания давления определенной частоты в камере разрежения без нарушения подачи рабочей жидкости через струйный насос.
На рис. 1 изображена схема струйного насоса, скомбинированного с генератором колебаний давления в потоке жидкости.
Сущность предложенного способа состоит в следующем.
Широко распространены различные скважные устройства, преобразующие частично давление подачи в колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в пласт. Наиболее подходящими устройствами для этой цели являются струйные генераторы, не имеющие подвижных деталей и преобразующие кинетическую энергию потока в колебательную энергию за счет формы канала. Устройство ввинчивается в нижний конец насосно-компрессорной трубы и располагается, таким образом, на забое нагнетательной скважины. Под струйным насосом скважина перекрыта пакером.
Основой работы заявленного устройства является способность высокоскоростной струи генерировать слабые возмущения в окружающем пространстве при натекании на предмет с острой кромкой, установленный навстречу набегающему потоку (см. патент №2478438). За срезом сопла постоянно крутится небольшой кольцевой вихрь, от которого со строгой периодичностью отрываются вихревые структуры подобно тому, как падают капли с носика крана в ванной. Эти возмущенные структуры увлекаются периферией струи и при ударе об острую кромку препятствия вызывают локальные возмущения давления в окружающем пространстве. Между соплом и острой кромкой должен существовать некоторый промежуток, поскольку вихревым структурам необходимо некоторое время для завершения своего развития. Если же тело с острой кромкой расположить вблизи резонатора, а тем более внутри него, то этим могут быть созданы условия для значительного усиления амплитуды первичных колебаний давления на кромке.
Предлагаемая конструкция струйного насоса принципиально не отличается от насоса, предлагаемого авторами прототипа, но несколько изменена взаимосвязь деталей, образующих проточный канал. Подводящий канал остается без изменения, кольцевое сопло вполне справляется со своей задачей разгона потока до необходимой скорости. При увеличении скорости потока статическое давление в потоке уменьшается. При этом окружающая жидкость устремляется в область пониженного давления и увлекается свободной струей в канал кольцевого диффузора. При этом струя своей возмущенной периферией задевает острые кромки входа в диффузор и генерирует локальные возмущения небольшой амплитуды в окружающем пространстве. Отличие заключается в удалении из подводящего канала лопастного прерывателя потока.
Функциональное назначение камеры разрежения в изобретении расширилось. Теперь она предназначается не только для создания условий эффективного эжектирования струей окружающей жидкости. Осевой интервал между соплом и диффузором должен задаваться не только для эффективного эжектирования, но и для формирования условий генерирования первичных колебаний давления на кромке диффузора. Размер входного отверстия диффузора также должен быть согласован с размерами струи для того, чтобы струя жидкости при втекании в канал диффузора задевала своей возмущенной периферией кромку диффузора.
Как известно, всякая замкнутая полость представляет собой акустический резонатор, усиливающий колебания давления соответствующей частоты. Всякая замкнутая полость характеризуется частотой собственных колебаний, параметром, который определяется исключительно геометрией полости. Если в полость, заполненную упругой средой, попадает волна колебаний давления с частотой, соответствующей частоте собственных колебаний полости, то амплитуда приходящих колебаний давления многократно возрастает. Колебания давления всех других частот затухают.
Объем камеры разрежения следует конструктивно формировать такой величины, чтобы частота собственных колебаний ее соответствовала частоте, которую желательно иметь для наиболее эффективного воздействия на отложения в скважине.
Частота собственных колебаний камеры с двумя горлами определяется по следующей формуле,
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow>
где С - скорость распространения слабых возмущений в среде (скорость звука),
p
V - объем резонаторной камеры (камеры разрежения),
1
2
S и S - площади первого и второго горла резонатора (площадь кольцевого сопла и площадь кольцевого диффузора),
1
2
L и L - длины первого и второго горла.
В то же время частота генерации струей первичных колебаний давления на острых кромках диффузора определяется по следующей формуле,
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>υ</mi><mi>l</mi></mfrac></mrow>
,
где υ - скорость в струе между соплом и диффузором,
l - интервал между срезом сопла и входом в диффузор.
Как видно из предыдущей формулы, интервал между соплом и диффузором должен быть определенной величины, чтобы частота генерации первичных колебаний давления составляла величину, которую желательно иметь для наиболее эффективного воздействия на отложения на стенках скважины. Однако, в действительности, частота собственных колебаний камеры разрежения будет несколько ниже вследствие наличия еще и третьего отверстия - подсасывающего канала.
Таким образом, предлагаемое устройство, объединяющее в одной конструкции два самостоятельных по назначению устройства, позволяет отказаться от размещения в подводящем канале лопастного прерывателя потока. Колебания давления в камере разрежения создаются самим струйным насосом, канал которого немного изменен. Главным образом изменения касаются камеры разрежения, требуется формировать иначе поверхности всех деталей, образующих камеру разрежения.
Предлагаемое устройство для нефтедобычи при низком пластовом давлении состоит из следующих элементов (см. фиг.1). В обсадную трубу скважины 1 опущена колонна насосно-компрессорных труб, в нижний конец которой ввинчен корпус струйного насоса 2. Немного выше продуктивного пласта и отверстий перфорации в обсадной колонне установлен пакер 3. Струйный насос представляет собой две пары втулок, концентрически набранных в корпус. Одна пара втулок формирует кольцевое сопло 4. Вторая пара втулок формирует кольцевой диффузор 5. Кольцевое сопло и кольцевой диффузор установлены в корпус таким образом, что между ними в осевом направлении оставлен интервал, который представляет собой камеру разрежения 6. В камере разрежения предусмотрен всасывающий канал 7, проходящий сквозь пакер и соединяющий полость камеры разрежения с подпакерным пространством скважины.
Втулки, образующие кольцевое сопло, имеют плоские торцы на выходе сопла, а также острые кромки на торцах. Втулки, образующие кольцевой диффузор, также имеют плоские торцы, но на входе. За выходом диффузора предусмотрена небольшая камера, дно которой образует пакер, и эта камера является началом отводящего канала. Срез кольцевого сопла плоский, и поэтому торцы втулок, образующих кольцевое сопло, лежат в одной плоскости. Торцы втулок, образующих кольцевой диффузор, могут находиться не в одной плоскости, а быть немного разнесены в осевом направлении. Это позволяет немного расширить интервал скорости, при которой поддерживается генерация первичных колебаний.
Работает предложенное устройство следующим образом.
Техническая жидкость подается под давлением по колонне НКТ на вход кольцевого сопла, разгоняется в сопле настолько, насколько это обеспечивает величина избыточного давления подачи и совершенство профилированного канала сопла. Статическое давление в струе при увеличении скорости движения падает. Струя протекает в интервале между срезом сопла и входом в диффузор в свободном состоянии, не стесненная стенками, и вследствие этого давление в камере разрежения близко к величине статического давления в струе, т.е. существенно ниже давления в продуктивном пласте. Жидкость, представляющая собой смесь воды и нефти, устремляется из подпакерной области по всасывающему каналу в камеру разрежения, подхватывается струей и увлекается в кольцевой диффузор, где статическое давление увеличивается и эта смесь отсасывается по отводящему каналу на поверхность. Обычно откачку жидкости из отводящего канала осуществляют дополнительным насосом, что позволяет достичь большего снижения давления в камере разрежения.