УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для создания упругих колебаний высокой интенсивности в пласте для повышения его продуктивности.
Большая эффективность волнового воздействия на пласт с использованием жидкости может быть обеспечена возбуждением резонансных колебаний столба жидкости в обсадной колонне скважины путем согласования режимов работы излучателя и скважины. Накопленный опыт использования волнового воздействия на продуктивные пласты показывает, что именно низкие частоты, как правило, соответствуют частоте собственных колебаний столба жидкости в скважине.
Известно устройство для создания звуковых полей высокой интенсивности (патент RU 2041343 кл. Е21В43). Устройство состоит из двух струйных генераторов импульсов с внутренней обратной связью, осуществляемой через резонансные камеры, каждый из которых имеет входное плоское сопло, две симметрично расположенные относительно оси генератора резонансные камеры, переходящие в проточные каналы прямоугольной формы и разделенные клином. Каналы заканчиваются выходными патрубками, оси которых находятся в плоскостях, проходящих через продольную ось устройства и пересекающихся по отношению к ней под углом 90°.
Недостатком известного устройства является невозможность использования подобных технических решений для рабочих агентов, представляющих несжимаемую жидкость. Высокие скорости распространения возмущений в жидкости (более 1400 м/с) требуют значительных объемов резонансных камер в излучателе, что вызывает необходимость увеличения внешнего диаметра устройства до размера, превышающего (в области практических значений частот воздействия на пласт) внутренний диаметр обсадной колонны скважины. Величина внутреннего диаметра последней составляет в основном на нефтяных месторождениях 130-170 мм.
Известно также устройство - излучатель на основе резонатора Гельмгольца (Труды научно-практической конференции VIII Международной выставки. Нефть, газ. Нефтехимия - 2001. 5-8 сентября 2001 г., том II. Статья «Гидромеханический осциллятор как устройство для возбуждения колебаний давления в потоке жидкости, нагнетаемой в пласт». С.172-178).
Устройство состоит из резонансной камеры Гельмгольца цилиндрического типа и установленных (по оси на входе и выходе камеры сопл). Механизм самовозбуждения колебаний заключается в следующем. Круглая струя жидкости из сопла на входе движется через осесимметричную полость камеры Гельмгольца и затем выходит в окружающую среду через выходное сопло. Диаметр полости камеры много больше диаметра струи и, вследствие этого, скорость в полости много ниже, чем в струе. Это ведет к сильным сдвиговым смещениям на границе раздела между двумя потоками. Сдвиговое течение реализуется в вихрях. При круглой струе вихревые линии принимают форму окружностей (колец). Соударение упорядоченных осесимметричных возмущений, таких как вихревые кольца, в сдвиговом слое, с кромкой выходного сопла генерирует периодические импульсы давления. Эти импульсы распространяются вверх по потоку к зоне начального отрыва, усиливая очередное вихревое кольцо. Усиление является селективным (в узком частотном диапазоне). Цикл включает истечение, обратную связь и усиление возмущений. В результате, в сдвиговом слое развиваются сильные колебания, захватывающие даже ядро струи. При этом в полости камеры устанавливается поле пульсирующего давления.
Увеличение амплитуды колебаний, как правило, способствует большей эффективности воздействия на пласт вследствие возрастания протяженности распространения поля упругих колебаний в последнем.
Недостатком этого устройства является то, что при колебаниях с большой амплитудой сплошность жидкости разрывается и в ней появляются кавитационные пузырьки, обусловленные качественным изменением колебательного процесса в жидкости. В условиях развитой кавитации происходит процесс периодического распространения гидродинамического разрыва в виде фронта волны схлопывающихся пузырьков, приводящих к кавитационному разрушению материала отверстия выходного сопла. Тем самым нарушается рабочий процесс генерации колебаний в потоке жидкости на выходе устройства и не обеспечивается возможность длительной эксплуатации его при технологии совмещенного воздействия на пласт. Кроме того, механизм генерации колебаний с высоким значением амплитуды в потоке жидкости на основе резонатора Гельмгольца не обеспечивается на низких частотах из-за необходимости многократного увеличения объема резонансной камеры, в первую очередь за счет внутреннего диаметра (в сравнении с камерами, обеспечивающими колебания высокой частоты в потоке жидкости). Увеличение объема камеры за счет многократного ее удлинения приведет к низким значениям критерия Струхаля в сравнении с оптимальным (St=0,45-0.5), при котором реализуются колебания давления с высоким значением амплитуды (Буторин Э.А., Кравцов Я.И., Секачев Л.Н. «Определение и исследование зоны устойчивой генерации колебаний давления гидродинамическими излучателями на основе резонатора Гельмгольца для осуществления энергоэффективных технологий. // Известия Академии наук. Энергетика 2006 г., №2, С.128-135.
Известно устройство - гидродинамический пульсатор давления (а. с.1655157, Кл. Е21В 43/00), включающий корпус с внутренней полостью, образующей вихревую камеру с верхним торцем, выходным каналом и входными тангенциальными отверстиями. В верхнем торце выполнена сферическая полость для уменьшения кавитационного износа. Жидкость поступает в вихревую камеру пульсатора через входные тангенциальные отверстия и под действием центробежных сил образует в камере закрученный жидкостный вихревой поток, который, сжимаясь, через цилиндрическое сопло поступает в диффузорный участок пульсатора. При этом в приосевой зоне диффузорного участка образуется область пониженного давления, которая простирается от выходного торца этого участка через сопло и далее в вихревую камеру. В результате этого возникает противоток жидкости в вихревую камеру пульсатора. Взаимодействие противотока жидкости с периферийным вихрем приводит к существенному уменьшению его количества движения, в результате чего разрежение на оси пульсатора уменьшается и противоток прекращается. Затем цикл колебаний жидкости повторяется.
Недостатком этого устройства является то, что вращающийся с большой скоростью вихревой поток жидкости образует в центральной полости вихревой камеры зону разрежения соосно выходному каналу, что не исключает кавитационный износ камеры. Последний приводит к нарушению геометрии камеры, что вызывает нарушение установившегося колебательного истечения струи и тем самым - снижение эффективности воздействия на пласт. Помимо этого наличие ряда тангенциальных отверстий малого диаметра способствует их засорению механическими частицами из рабочего агента, поступающего в пульсатор из насосно-компрессорной трубы и далее в пласт.
Рассмотренные выше принципы работы устройств генерации акустических колебаний, из-за перечисленных недостатков, исключают возможность работы устройств на низких частотах, при которых в ходе технологического процесса, путем возбуждения резонансных колебаний столба жидкости ниже генератора, в скважине существенным образом можно увеличить энергию упругих волн, передаваемую из скважины в продуктивный пласт.
Известно техническое решение [Kazuhiro Murai, Yosure Kawashima, Shigeyasu Nakanishi and Masao Taga. Self oscillation phenomena of turbulent jets in a channel // The Canadian journal of chemical engineering. 1989. vol. 57. December, pp. - 906-911], позволяющее генерировать интенсивные колебания давления низкой частоты в потоке смешивающихся компонентов жидкости и исключающее воздействие возможной кавитации на определяющие конструктивные элементы устройства вследствие отсутствия выходного сопла.
Генератор состоит из рабочей камеры в виде параллелепипеда, образованного боковыми стенками, высота которых определяет высоту камеры; верхней и нижней стенками, ширина которых определяет ширину камеры, и передней стенкой, через которую подаются компоненты жидкости для смешения за счет генерации автоколебаний струи.
Механизм возбуждения колебаний состоит в следующем: при истечении из круглого сопла струя жидкости (несжимаемой либо сжимаемой) прилипает на некотором расстоянии (вниз по потоку жидкости) от передней стенки к одной из боковых стенок (эффект Коанда) камеры. Это приводит, в области между передней стенкой и зоной прилипания струи, к уменьшению давления по сравнению с давлением у противоположной боковой стенки. Вследствие разности давлений жидкость перетекает через зазор между соплом и верхней и нижней стенками. Зона с пониженным давлением возрастает, и точка прилипания к боковой стенке смещается вниз по потоку. Давление в этой области постепенно увеличивается, а в области у противоположной стенки - понижается. В результате струя перемещается к противоположной боковой стенке. Описанное воздействие приводит к возникновению устойчивых колебаний струи в направлении боковых стенок рабочей камеры.
Это техническое решение является наиболее близким по сущности заявляемого решения и поэтому выбрано в качестве ПРОТОТИПА.
Устройство состоит из корпуса, представляющего собой плоскую резонансную камеру с выходом на заднем торце и ограниченной передней стенкой с расположенным в ней вдоль продольной оси съемным соплом в гидравлической связи с источником рабочего агента.
Подобные акустические устройства конструктивно просты, т.к. в них отсутствуют подвижные элементы конструкции. Они хорошо работают в условиях высоких температур, при воздействии вибраций и ударных нагрузок.
Эти устройства не требуют дополнительных источников энергии, поскольку для возбуждения акустических колебаний используется кинетическая и потенциальная энергия потока жидкости. С помощью устройства могут быть возбуждены на выходе в потоке жидкости продольные колебания низкой частоты. При этом за счет резонансного возбуждения столба жидкости в скважине, в условиях генерирования вынужденных продольных колебаний излучателем, может быть значительно увеличена энергия упругих волн, передаваемых в пласт. Известно, что зона влияния акустического воздействия на пласт может достигать сотен метров. Подобный эффект наблюдается при воздействии инфразвуковыми (до 20 Гц) и низкочастотными колебаниями. Большой радиус воздействия достигается вследствие малого поглощения волновой энергии колебаний низкой частоты [Кузнецов О.Л., Симкин Э.М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты. - М: Мир. 2001. Глава 2, с. 25].
Недостатком такого устройства, при использовании его в забое скважины, является наличие одного канала на выходе его, что не способствует созданию неоднородности волнового поля упругих колебаний в пласте.
Известно, что степень неоднородности волнового поля активно влияет на величину градиента напряженности (деформации) гетерогенной структуры пласта, что, в свою очередь, способствует разрушению фазовых границ раздела между твердым телом (пластом) и жидкостью (нефтью) или жидкостью (нефтью) и жидкостью (водой) и увеличению нефтеотдачи.
Кроме того, другим недостатком известного устройства является то, что в процессе его эксплуатации в полости перед соплом будут скапливаться механические примеси (ржавчина, например), переносимые со стенок насосно-компрессорной трубы (НКТ), используемой для подачи рабочего агента в пласт и установки в забой скважины устройства генерации колебаний.
Частичное засорение соплового отверстия приведет к срыву режима генерации колебаний устройством и исключению передачи волновой энергии в пласт, что вызовет снижение интенсивности извлечения углеводородного сырья при одновременном сохранении более высокого давления на устье скважины за счет дополнительных потерь давления жидкости на сопле устройства.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании устройства для волновой обработки продуктивных пластов, обеспечивающего повышение эффективности, надежности и экономичности воздействия на продуктивный пласт за счет создания неоднородности в волновом поле пласта, а также за счет устранения при работе устройства воздействия кавитации на его определяющие конструктивные элементы. Тем самым обеспечивается возможность продолжительно долго поддерживать в продуктивном пласте в процессе добычи волновое поле.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство, предназначенное для волновой обработки продуктивных пластов с гидравлической связью с содержимом обсадной трубы скважины, содержащее корпус в виде плоской резонансной камеры, с выходом на заднем торце и ограниченной передней стенкой с расположенным в ней вдоль продольной оси съемным соплом в гидравлической связи с источником рабочего агента, боковыми стенками, верхней и нижней стенками для решения поставленной задачи - ВЫХОД из резонансной камеры на заднем торце закрыт задней стенкой с симметрично расположенными под острым углом к продольной оси камеры двумя отводящими рабочий агент патрубками в гидравлической связи с содержимым обсадной трубы скважины и разделенными переключателем направления потока, при этом вершина переключателя может иметь параболическую форму.
Кроме того, возможен конкретный вариант выполнения устройства, в котором проточный тракт каждого из патрубков может иметь одностороннюю диффузорность по отношению к стенке переключателя направления потока.
Кроме того, возможен другой вариант, в котором гидравлическая связь съемного сопла с источником рабочего агента на передней стенке резонансной камеры имеет входной патрубок для стыковки с фильтром.
Кроме того, возможен вариант, в котором переключатель направления потока имеет механизм продольного перемещения с фиксацией положения.
Таким образом, только полное сочетание предлагаемых конструктивных элементов устройства обеспечивает решение поставленной задачи.
Устройство изображено на фиг.1.
Устройство для комбинированной обработки продуктивных пластов содержит резонансную камеру 1 с передней стенкой 2, боковыми стенками 3 и 4, верхней и нижней стенками 5 и 6 соответственно. В передней стенке 2 имеется соосно устанавливаемое с резонансной камерой 1 съемное круглое сопло 7. К боковым стенкам 3 и 4 на выходе резонансной камеры 1 присоединены отводящие рабочий агент патрубки 8 и 9, находящиеся в гидравлической связи с содержимым обсадной трубы скважины и разделенные переключателем направления потока 10.
На фиг.2 изображен вариант устройства, в котором проточный тракт каждого из патрубков 8 и 9 имеет одностороннюю диффузорность по отношению к стенке переключателя направления потока 10.
На фиг.3 изображен другой вариант устройства, в котором гидравлическая связь съемного сопла с источником рабочего агента на передней стенке резонансной камеры имеет входной патрубок 11 для стыковки с фильтром.
На фиг.4 изображен вариант устройства, в котором переключатель направления потока 10 имеет механизм продольного перемещения 12 с фиксацией положения.
Устройство для волновой обработки продуктивных пластов устанавливают на забое скважины вертикально, стыкуя, при необходимости, с фильтром очистки подаваемой жидкости, который, в свою очередь, стыкуется с насосно-компрессорной трубой подачи рабочего агента (например, воды, ПАВ и др.).
Работает устройство следующим образом: рабочий агент под давлением подается в съемное круглое сопло 7, при истечении из которого струя жидкости прилипает в силу эффекта Коанда к одной из боковых стенок, например 3 резонансной камеры 1. Далее поток жидкости направляется в боковой патрубок 9 и истекает в обсадную колонну скважины в область, прилегающую к стенке обсадной колонны, формируя распространение импульса давления или в режиме вынужденных продольных колебаний в столбе жидкости, заполняющей скважину или в режиме резонансных продольных колебаний в случае равенства или кратности вынужденных значений частоты колебаний, генерируемых устройством, частоте значений собственных колебаний (моды) столба жидкости, заключенного между излучателем и, например, дном скважины. Далее импульс давления распространяется в пласт.
Вблизи боковой стенки 3 в зоне, прилегающей к передней стенке 2 с соплом 7, давление уменьшается по сравнению с зоной вблизи противоположной боковой стенки 4.
Вследствие разности давлений жидкость перетекает от боковой стенки 4 через зазор между струей, истекающей из сопла 7, и стенками 5 и 6 к боковой стенке 3. Зона (с пониженным давлением) у боковой стенки 3 возрастает, и точка прилипания струи жидкости к боковой стенке 3 смещается вниз по потоку. Это еще более приводит к увеличению перетекания жидкости к стенке 3, а в области у противоположной стенки 4 давление понижается. В результате струя перемещается к противоположной стенке 4. Описанное воздействие приводит к возникновению устойчивых колебаний струи в направлении боковых стенок 3 и 4 резонансной камеры 1.
Таким образом, на входе в продуктивный пласт из патрубков устройства попеременно формируются импульсы давления. В итоге пласт и содержимое будет подвергаться периодическому воздействию упругого поля, что приведет к более высоким градиентам напряженности и соответственно к большим деформациям гетерогенного пласта. Это вызовет более эффективное разрушение фазовых границ раздела между твердым телом (порода) - жидкость (нефть) или жидкость (нефть) - жидкость (вода) и, в конечном итоге, приведет к увеличению нефтеотдачи пласта.
Конкретная реализация предложенного технического решения сводится к определению основных геометрических параметров излучателя колебаний давления низкой частоты, обеспечивающих устойчивость колебаний в резонансной камере. Для этого необходимо воспользоваться результатами исследования [Kazuhiro Murai, Yosure Kawashima, Shigeyasu Nakanishi and Masao Taga. Self oscillation phenomena of turbulent jets in a channel // The Canadian journal of chemical engineering. 1989. vol. 67. December, pp.906-911] зависимости числа Струхаля-Sh от коэффициента σ. Последний определяется функциональной зависимостью параметров диаметра сопла (D), высоты (А) и ширины (В) передней стенки резонансной камеры.
0
Выбирая величину массового расхода жидкости через излучатель в забой нагнетательной скважины, например 120 т/сут.(G=1,4 кг/с), и задавая величину коэффициента расхода жидкости через сопло, равную 0,76 (что соответствует коэффициенту сужения струи в сопле, равному µ=0,87) при выбранной величине скорости потока жидкости в сопле u=90 м/с, получаем диаметр поперечного сечения съемного сопла из зависимости:
ρ - плотность жидкости.
Из данных исследований на воде (таблица - фиг.5) для полученного значения диаметра поперечного сечения сопла (5 мм) находим рекомендуемые соотношения геометрических параметров, при которых обеспечивается генерация излучателем колебаний давления:
A/D=3,2 ,А=16 мм; B/D=10, В=50 мм.
Таким образом, значение коэффициента - σ составляет:
2
σ=AD/B=0,032
Из приведенного графика на фиг.5 (зависимость числа Струхаля-Sh от значений коэффициента σ) определяем величину Sh=0,00133. Учитывая, что выражение числа Струхаля имеет вид , находим частоту переключения струи (колебаний давления на выходе отводящих патрубков устройства) в резонансной камере излучателя:
С изменением расхода жидкости, например уменьшением его вдвое при сохранении геометрических параметров резонансной камеры, скорость струи в сопле также уменьшится вдвое (при сохранении значения коэффициента сужения струи, равном 0,87), что приведет к понижению вдвое частоты переключения струи (12 Гц).
Использование устройства для обработки продуктивных пластов позволяет обеспечить высокую надежность процесса воздействия на пласт, увеличить его отдачу и повысить экономичность за счет использования энергии потока рабочего тела для возбуждения акустических звуковых колебаний низкой частоты излучателем при воздействии последних пласт.