Формирователь температурного и акустического полей в скважине

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована для интенсификации добычи высоковязкой нефти.
В настоящее время более половины отечественных запасов нефти формируется за счет месторождений с коллекторами, структура которых затрудняет извлечение флюида. В отличие от обычной нефти, высоковязкая нефть характеризуется большой вязкостью и плотностью, содержит в своем составе кластеры, состоящие из атомов серы и различных металлов. Коллектор с такой нефтью обладает низкой проницаемостью и для ее извлечения традиционно применяют химические реагенты, нагретый пар, агрегаты для гидроразрыва пласта при сильном увеличении статического давления в скважине и т.д. (см. Ибрагимов Л.Х., Мищенко И.Т., Челоянц Д.К. Интенсификация добычи нефти. М. Наука, 2000 г., с. 414).
Указанные технические средства обладают рядом недостатков. Они, в частности, характеризуются большой длительностью временного цикла технологических мероприятий, высоким энергопотреблением, экологическими рисками и т.д.
Этих недостатков лишен скважинный индукционный нагреватель обсадной трубы скважины (ОТС) в области перфорации. Тепловая энергия нагретой им области трубы передается в пласт, содержащий высоковязкую нефть, понижая ее коэффициент вязкости, (см. Диденко А.Н., Коляскин А.Д., Пономаренко А.Г. Тр. Российского национального симпозиума по энергетике, т. 1, Казань, 2001 г„ с. 205-208).
Известно устройство для электродинамического индукционного нагрева ОТС, где используется соленоид в виде соосной с ОТС однозаходной спиральной линии, по которой пропускается переменный электрический ток с частотой ƒ~40 кГц, возбуждаемый с помощью генератора переменного напряжения (РФ №2157883, оп. 20.10.2000)
Реализуемая с помощью устройств индукционного нагрева технология не позволяет в необходимой степени увеличивать проницаемость коллектора с нагретой нефтью, так как проницаемость коллектора зависит не только от коэффициента вязкости, но и от других факторов, например квазицементации пор.
Наиболее близким к заявляемому устройству по большинству общих признаков и достигаемому результату является формирователь температурного и акустического полей в скважине по патенту на полезную модель РФ №168526, МПК Е21В 36/04, Е21В 43/28, Е21В 28/00, оп. 07.02.2017 - прототип.
Устройство по прототипу содержит генератор переменного электрического напряжения с частотой ƒ~10 кГц и соединенные с ним первый соленоид с ферритовой вставкой и второй соленоид с сердечником из магнитострикционного материала, которые расположены соосно с обсадной трубой скважины. Сердечник второго соленоида снабжен конусообразным наконечником с углом раствора конуса β, острие которого направлено в сторону первого соленоида. Между соленоидами расположен отражатель акустической волны в виде конуса высотой Н≈λ/4, где λ - длина акустической волны в жидкости, заполняющей скважину, с углом раствора а, расположенный перед сердечником с острием, направленным в сторону второго соленоида, при этом значения углов выбираются в пределах π/12<α, β<π/6. Акустический преобразователь представляет собой направленные остриями навстречу друг другу два конуса, нижним из которых является сердечник второго соленоида.
Недостатком прототипа является его ограниченность по интервалу воздействия, не позволяющая в необходимой степени увеличивать проницаемость коллектора с нагретой нефтью, так как проницаемость зависит не только от коэффициента вязкости, но и от других факторов, например, квазицементации пор, интенсивности излучения теплового и акустического полей и их осевой протяженности.
Технический результат заключается в повышении интенсивности излучения теплового и акустического полей и их осевой протяженности за счет усиления резонансного режима в устройстве.
Технический результат достигается тем, что в формирователе температурного и акустического полей в скважине, содержащем генератор переменного электрического напряжения с частотой ƒ~10 кГц, соединенные с ним первый соленоид с ферритовым сердечником и второй соленоид с магнитострикционным сердечником, которые расположены соосно с обсадной трубой скважины, и акустический преобразователь, согласно полезной модели, акустический преобразователь выполнен в виде металлического цилиндрического стержня, который соединен с магнитострикционным сердечником, выполненным длиной Lm=λm/2, равной половине длины акустической продольной волны в магнитострикционном материале второго сердечника на выходной частоте, при этом акустический преобразователь выполнен длиной Lk=n×λk/2, где n - целое число полуволн λk/2 продольных колебаний в металлическом материале цилиндрического стержня на выходной частоте, а ферритовый сердечник первого соленоида выполнен длиной Lf=k×λf/2, где k - целое число полуволн λf/2 продольных колебаний в ферритовом материале первого сердечника на выходной частоте.
Выполнение акустического преобразователя в виде металлического цилиндрического стержня, соединенного с магнитострикционным сердечником, и наличие указанных волновых размеров элементов конструкции в продольном направлении на резонансной частоте повышают интенсивность и протяженность воздействия акустической волны на нефтяной коллектор с оптимально нагретой разжиженной нефтью.
На чертеже представлен общий вид формирователя температурного и акустического полей в скважине.
Формирователь содержит источник питания 1 трехфазным напряжением с блоком управления, соединительный кабель 2, генератор переменного электрического напряжения 3 с блоком автоматической подстройки частоты ƒ~10 кГц, соединенный с соленоидом 4 ферритового сердечника 5 и соленоидом 6 магнитострикционного сердечника 7, соединенного с акустическим преобразователем 8.
Устройство работает следующим образом.
Подключенный к трехфазной линии питания, например УЭЦН, генератор 3 с блоком автоматической подстройки частоты выходного напряжения по критерию передачи максимальной мощности в нагрузку, осуществляет преобразование постоянного трехфазного напряжения в переменное с частотой ƒ~40 кГц и амплитудой в несколько сотен Вольт и соответствующим КПД. Тепловые потери преобразования создают термическое поле в нефти, протекающей вокруг генератора 3. Переменное напряжение подается на соленоид 4 ферритового сердечника 5, который минимизирует потоки рассеяния магнитного поля и создает переменное продольное магнитное поле в области ОТС, где в скин-слое возникает вихревой азимутальный переменный ток I. Фактически такая электродинамическая система является коаксиальным трансформатором с одним вторичным витком, роль которого играет ОТС. Общая мощность, выделяемая при протекании тока в ОТС, определяется следующим выражением:
T
Т
0
7
где I - объем, в котором сосредоточен индукционный ток, ρ - удельное сопротивление материала ОТС, r - радиус ОТС,  длина спирали, μ- относительная магнитная проницаемость стали, из которой она изготовлена,  μ=4π10 Гн/м - магнитная постоянная, Rт - эффективное электрическое сопротивление ОТС.
Выделение мощности сопровождается одновременным переносом тепла через цементное кольцо в пласт с высоковязкой нефтью и, как следствие, его нагревом. При нагреве пласта, как показывают расчеты, коэффициент вязкости нефти уменьшается по экспоненциальному закону вплоть до значений, характерных для обычных нефтей (см. Хисамов Р.С., Хузин P.P., Андреев В.Е., Дубинский Г.С., Мияссаров А.Ш. Перспективы увеличения эффективности разработки залежи высоковязкой нефти с применением энергосберегающих технологий. Нефтяное хозяйство, №4, 2015 г., с. 54- 55).
Проведенные эксперименты и соответствующие расчеты показали, что оптимальная организация электромагнитных потоков первого соленоида происходит при длине ферритового сердечника Lf=k×λf/2, определяемой целым числом k полуволн λf/2 ферритового материала на частоте выходного напряжения. Изменением k установлено, что при его увеличении мощность, преобразуемая первым соленоидом 4, растет и обеспечивает достижение технологического эффекта на промежутке обсадной трубы скважины от 0,5 м.
Происходит нагрев ферритового сердечника 5, передающего тепловое поле во внутренний поток вязкой нефти, а его магнитострикционный эффект, осуществляющий продольные колебания торцов ферритового сердечника, производит обработку акустическим полем близлежащих порций вязкой нефти. Таким образом создается термо-акустическое поле в жидкости, протекающей внутри первого соленоида.
Создаваемое генератором 3 переменное напряжение подается также на соленоид 6, охватывающий магнитострикционный сердечник 7 длиной Lm=λm/2, равной половине длины акустической продольной волны в магнитострикционном материале на выходной частоте, в котором возбуждаются продольные упругие колебания, передаваемые заполняющему скважину флюиду, и в коллектор через акустический преобразователь 8, имеющий цилиндрическую часть длинной Lk=n×λk/2, где n - целое число полуволн λk/2 продольных колебаний в материале (например, титан марки ВТ3.1) акустического преобразователя на выходной частоте и выбирается в зависимости от интервала воздействия. В акустическом преобразователе 8 происходит трансформация продольной акустической волны в радиальную, направленную в пласт. Такие же радиальные волны образуются в местах пучности амплитуды колебаний на каждой полуволне цилиндрического стержня 7, а на конце преобразователя 8 пучность колебаний направлена соосно ОТС навстречу восходящему потоку. Изменением числа п установлено, что при его увеличении мощность, преобразуемая акустическим преобразователем 8, растет и обеспечивает достижение технологического эффекта.
Таким образом, все элементы устройства работает в усиленном резонансном режиме, в результате которого повышается интенсивность и протяженность воздействия акустической волны на нефтяной коллектор с оптимально нагретой и разжиженной нефтью, а следовательно растет дебит скважины. Усиление резонансного режима преобразования электромагнитной энергии в тепловую и акустическую позволяет эффективно использовать электрическую энергию. Кроме того, по сравнению с прототипом, упрощается конструкция устройства, за счет сокращения ее элементов, что повышает надежность формирователя.