СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДОБЫЧИ НЕФТИ, ЛИКВИДАЦИИ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ В НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ И НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR INTENSIFICATION OF OIL PRODUCTION, ELIMINATION AND PREVENTION OF DEPOSITS IN OIL AND GAS PRODUCING AND INJECTION WELLS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, преимущественно к добыче вязкой и сверх вязкой нефти, а также может быть использовано для интенсификации добычи нефти, осложненной вязкими составляющими и отложениями.
Уровень техники
Известно большое количество способов интенсификации добычи, для указанной выше области применения, в которых используются термические, акустические, вибро- и ударно-волновые воздействия в объеме нефтегазодобывающих скважинах и в прискважинной зоне пласта.
Многочисленные волновые методы можно разделить на импульсные разового действия (ударные), низкочастотное (виброволновые) и высокочастотные (акустическое воздействие, в том числе ультразвуковое).
Наибольшее применение находят методы воздействия на призабойную зону пороховыми газами, электрогидравлическим ударами, мгновенными депрессиями, а также вибрационные и акустические воздействия от разнообразных генераторов гидродинамических, электромагнитных, ультразвуковых.
Для создания теплового действия используют пароциклические обработки с площадной закачкой пара, в термическое воздействие с помощью нагревательных кабелей (см. [1] патент РФ №2167008, МПК В08В 9/027, опубл. 20.05.2001), индукционные системы «кабель-ферромагнитная трубка» с использованием поверхностного (skin) эффекта протекания обратного тока в ферромагнитной трубке, облучение высокочастотной электромагнитной энергией (см. [2] патент РФ №2139415, МПК Е21В 43/00, опубл. 10.10.1999), разнообразные погружные электронагреватели - резистивные, электродные, индукционные Редко из-за технических трудностей используется внутрипластовое горение и тепловое действие химических теплогенераторов.
В результате опыта применения перечисленных методов стимуляции скважин установлено, что наилучшую эффективность имеют тех из них, которые в максимальной степени соединяют (комплексируют) с термическим действием какие-либо волновые - ударные, низкочастотные виброволновые, высокочастотные (ультразвуковые) воздействия, причем часто комплексное воздействие осуществляют в режиме онлайн, т.е. одновременно с работой скважины.
Так, например, в изложенном ниже способе воздействия на призабойную зону пласта в процессе добычи нефти, совмещают сразу три вида воздействия - низкочастотное виброволновое, высокочастотное акустическое и термическое воздействие в процессе добычи нефти, для чего виброакустический источник и термоизлучатель размещают под электроприводом погружного насоса в интервале перфорации, а контроль за воздействием осуществляют по кабелю питания электропривода погружного насоса и кабельному подвесу, соединяющему виброакустический источник и термоизлучатель с электроприводом погружного насоса, причем воздействие проводят во время работы погружного насоса (см. [3] патент РФ №2267601, МПК Е21В 43/25, Способ и установка для воздействия на призабойную зону пласта в процессе добычи нефти, опубл. 10.01.2006).
Известны способы интенсификации добычи, которые используют для волнового воздействия также электрический способ доставки энергии на забой скважины и преобразование ее в необходимую для этого форму, например, в виде высоковольтного импульсного разряда, который возбуждает циклические волны сжатия, пульсирующую парогазовую полость (см. [4] Патент США №4345650, МПК Е21В 36/04, Е21В 43/00, Е21В 43/24. Process and apparatus for electrohydraulic recovery of crude oil, опубл. 24.08.1982). Недостатком этого способа является слабый термический эффект и низкая частота воздействия, препятствующая проникновению энергии в пласт из-за быстрого затухания.
Известен способ интенсификации добычи, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах при котором воздействуют упругими звуковыми волнами источника колебаний и отдельно электрическим нагревом путем пропускания тока по предварительно изолированной части колонны от электрического кабеля (см. [5] патент РФ №2097544, МПК Е21В 43/25, Е21В 28/00, Е21В 36/04, Способ увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора и устройство для его осуществления, опубл. 01.07.1992).
Известен также способ, при котором на пласт воздействуют комплексом ультразвуковых колебаний от отдельного источника и низкочастотным вибровоздействием от электрического разряда (см. [6] патент РФ №2392422, МПК Е21В 43/16, Способ добычи нефти с использованием энергии упругих колебаний и установка для его осуществления, опубл. 28.04.2009). Однако недостатком этого способа является локальность воздействия в призабойной зоне пласта и невозможность влияния на поднимаемую нефть в лифте скважины, что ограничивает их применение на выработанных месторождениях с образованием в процессе добычи большого количества асфальтосмолистых, парафиновых и эмульсионных отложений, а также на месторождениях с высоковязкой и битуминозной нефтью.
Во всех перечисленных выше способах комплексное термовиброволновое воздействие осуществляется источниками разной степени интенсивности, но по принципу создания волновой энергии все они являются локальными, т.е. реализуются в виде каких-либо излучателей определенной конструкции, погружаемых в скважину. Общий недостаток: большие потери и рассеяние волновой энергии на начальном участке излучения, большой разброс частоты и несинхронность волновых воздействий при многоточечном воздействии, что не позволяет получать достаточно эффективное влияние на приток и подъем нефти. Другим недостатком этих комплексных технологий слабое термическое воздействие в лифте скважин
В настоящее время, исходя из необходимости, особенно при добыче вязких нефтей, осуществлять комплексное термоакустическое воздействие не только в области притока нефти в скважину (в ПЗП), появилась группа изобретений с комплексным действием, распределенным во всем объеме скважины.
Так, известен способ интенсификации добычи и борьбы с отложениями с помощью распределенного по скважине электроимпульсного ударно-волнового воздействия (см. [7] патент РФ №2471965, МПК Е21В 37/00, Способ ликвидации и предотвращения образования асфальтено-смоло-парафиновых отложений (АСПО) и установка для его осуществления, опубл. 10.01.2013). При осуществлении способа, в НКТ на длину от устья до призабойной зоны или на глубину возможного формирования АСПО опускают кабель, на котором крепят электрические разрядники. На каждый из разрядников по кабелю подают от располагаемого на поверхности блока управления (БУ) импульсы или пакеты импульсов напряжения с необходимыми параметрами. Производят искровой или дуговой разряд с проявлением электро-гидроудара на любом из разрядников независимо от других разрядников или на любой, выбираемой из их общего количества, группе разрядников и локальный нагрев в месте разряда.
Несмотря на преимущества распределенного волнового действия этого способа, из-за недостаточного термического действия разрядов, эффективного разрушения вязких отложений от такого волнового действия не происходит.
Другим недостатком этого способа является, ограничение дальности передачи энергии для импульсных разрядов через кабель ограниченного сечения и недостаточная глубина волнового воздействия.
Среди класса способов, использующих комплексные и распределенные по глубине скважин термоакустические воздействия на разрушение отложений и повышения текучести вязких углеводородов в лифтовой части скважины и притока нефти из при скважинной зоны пласта (ПЗП), и применяемых как для скважин в простое, так и во время работы, известен способ, осуществляемый с помощью высокочастотного генератора и линии передачи электрической энергии в виде кабеля, погружаемого в скважину на глубину образования отложений, при котором генерируют в линии передачи высокочастотный электрический ток, воздействуют высокочастотным электромагнитным полем, созданным этим током на поверхность трубопроводов, и посредством этого осуществляют термическое, за счет индукционного высокочастотного нагрева, и акустическое, за счет электродинамических сил, воздействие на колонну труб, одновременно осуществляют непосредственное термоакустическое воздействие на скважинную жидкость путем замыкания через нее высокочастотного тока на конце кабеля, при этом определяют диапазон частот, при котором выделяется максимальная термическая и акустическая мощность, как в колонне труб, так и в самой скважинной жидкости от высокочастотных разрядных токов линии и в скважинной жидкости (см. [8] патент РФ №2248442, МПК Е21В 37/00, Е21В 36/04, Способ и устройство ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в нефтегазодобывающих скважинах, опубл. 20.03.2005).
Для усиления термического и акустического воздействий в описанном способе используют передачу высокочастотной энергии в импульсном режиме, способствующем созданию ударных механических колебаний в колонне труб по глубине скважины и созданию ударных волн в самой скважинной жидкости за счет того, что в импульсном режиме высокочастотный ток в жидкости приобретает характеристики разряда (см. [9] Бадамшин Р.А., Мельников В.И. Опытное скважинное оборудование для обработки при забойной зоны пласта и ликвидации отложений по всей глубине их образования. Успехи современного естествознания. 2004 - №5. с. 35-38).
Близким к заявляемому, по технической сути, является известный способ интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах путем ликвидации отложений и повышения текучести вязких углеводородов в скважине и ПЗП, который является развитием предыдущего способа и также использует распределенное волновое и термическое воздействие, а также использует для этой цели кабельную линию передачи энергии (см. [10] патент РФ №2520672, МПК Е21В 43/25, Е21В 43/24, Е21В 28/00, Е21В 36/00. Способ интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах и устройство для его реализации, опубл. 27.06.2014). В этом способе интенсификации добычи, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах используют кабельную линию для передачи импульсной энергии и последнюю получают путем коммутации емкостных накопителей энергии через согласующее устройство на эту кабельную линию, при этом создают интенсивное волновое воздействие в скважине или группе скважин за счет синхронизированного и распределенного по длине кабеля действия на скважинную среду импульсным электрическим разрядом с помощью технологических разрядников и на металл трубопроводов импульсным магнитным полем, создаваемым разрядным током в проводниках кабельной линии. Для дальнейшего рассмотрения, этот способ обозначим цифрой 1.
Наиболее близким, по содержанию технологических операций, является способ интенсификации добычи нефти, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах и устройство для его реализации, в котором передают на глубину скважины электрическую энергию в виде импульсов высокого напряжения с высокой частотой их следования по кабелю и колонне труб скважины, полученных путем разряда емкостных накопителей через импульсный трансформатор на жилы кабеля и используют их для возбуждения импульсного тока и соответственно накачки энергии импульсного магнитного поля в индукционных контурах, образованными жилами кабеля, колонной труб и (или) индуктором, посредством которых осуществляют индукционный нагрев и электродинамическое вибровоздействие на колонну труб, причем возбуждают импульсный ток в индукционных контурах более короткими по сравнению с длительностью импульсного тока импульсами высокого напряжения и при этом, за счет уменьшения длительности импульсов высокого напряжения, увеличивают мощность и расстояние передачи энергии тем, что увеличивают энергию в самом импульсе высокого напряжения и повышают их частоту следования, при этом используют возможность сжатия импульсов высокого напряжения в низкочастотные энергетические пакеты без потери передаваемой мощности для получения низкочастотного ударно-вибро-волнового воздействия (см. [11] патент РФ №2666830, МПК Е21В 43/25, Е21В 28/00, Е21В 43/16, Е21В 37/00, Способ интенсификации добычи нефти, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах и устройство для его реализации, опубл. 12.09.2018). Для дальнейшего рассмотрения, обозначим этот способ цифрой 2.
Поскольку два последних способа очень близки, то анализ недостатков, устраняемых, заявляемым изобретением сделаем для способа 1 и способа 2.
Здесь и далее будет использована следующая терминология:
- индуктор - это устройство для воздействия на поверхность металла труб индукцией магнитного поля, в котором проводники включены таким образом, что образуют многовитковую конструкцию, либо в виде обмотки вокруг продольной оси трубы (индуктор с продольным полем), либо обмотки из витков, расположенных вдоль трубы (индуктор с поперечным полем)
- передающий кабель - это кабель, который используется только для передачи импульсной энергии, например индуктору, подключенного на конце кабеля.
- индукционный кабель - это кабель, который сам используется как элемент индуктора, т.е. элемента воздействующего на колонну труб индукцией магнитного поля.
- передающий индукционный кабель - это кабель, жилы которого используются и для индукционного действия и для передачи энергии дополнительному устройству, например в виде индуктора.
Недостатком способа 1 является недостаточная эффективность, потому что он снижает вязкость и воздействует высокочастотным виброволновым воздействием на поверхностные силы, преимущественно в лифте скважин, и с недостаточной интенсивностью воздействует на нефтяной коллектор в глубоких скважинах и в скважинах с горизонтальным участком.
Этот недостаток способа и устройства для его реализации усугубляется тем, что для передачи энергии на большую глубину (длину) что при ограниченных размерах кабеля он имеет естественное ограничение по глубине (длине) воздействия:
- чем больше длина индукционного кабеля, тем больше его индуктивность и тем больше необходима длительность импульса напряжения для создания импульса тока необходимой величины.
- чем больше длительность импульса напряжения, тем меньше должна быть его амплитуда из-за опасности пробоя и тем меньше расстояние и соответственно передаваемая мощность на глубину скважины.
Последний недостаток способа 1 устраняется в способе 2, в котором используют специальный прием уменьшения длительности импульсов высокого напряжения - срез импульсов высокого напряжении путем насыщения магнитопровода - которое решает сразу две важные задачи: обеспечивает передачу на большее расстояние с меньшими потерями за счет увеличения импульсного напряжения и счет сжатия импульсов в энергетические пакеты обеспечить низкочастотного (с частотой следования пакетов) дополнительное виброударного воздействия при высокой средней мощности и сохранении интенсивности термического и акустического воздействий.
Недостаток способа 2 - недостаточная интенсивность распределенного по лифту скважины термического и высокочастотного акустического воздействия, а интенсивное ударно-волновое воздействие, сосредоточено в локальных областях разрядных электродов.
Недостаточное, распределенное по объему скважины, термоакустическое воздействие объясняется тем, что, индукционные контура, которые создают распределенное воздействие, в этом способе включены последовательно с разрядными промежутками, которые согласно основной идее способа работают в области коронного разряда, т.е. на малых токах (но, больших напряжениях), то распределенное по объему индукционное действие (нагрев и электродинамическое виброволновое воздействие) здесь является крайне слабым из-за малых токов, а значит, и малых индукциях поля.
Это приводит к тому, что описанный способ 2 имеет на некоторых типах скважин недостаточную эффективность для интенсификации добычи, например, на скважинах с большим содержанием соленой воды, проводимость которой шунтирует разрядный промежуток. Более того, он малоэффективен для скважин с вязкой безводной нефтью, где разрядный электродная система практически не работает и нужно скважину заполнять водой. Затруднительно его, также, применять для стимуляции скважин, имеющих протяженную призабойную связь с пластом, например, на скважинах с протяженными горизонтальными участками вдоль пласта, так как действие разрядов является локальным. Недостатком самого устройства для реализации описанного выше способа 2, является то, что в нем для создания коротких импульсов используются насыщения магнитопровода и резкое уменьшение индуктивности намагничивания трансформатора шунтирующее выходную цепь. Т.е. накачка тока осуществляется только на начальном участке, а на спаде импульсов высокого напряжения, связь первичной и вторичной обмоток трансформатора пропадает, и энергия не передается.  Для передачи и накачки энергии в разрядный промежуток, использующий тип разряда, аналогичный коронному, - это является наиболее оптимальным, так как в нем накапливается энергия очень быстро (за время пробоя среды), то в индукционных контурах из-за большой индуктивности энергии накапливается в недостаточном количестве. Т.е., если исключить действие разрядного промежутка из способа, например, размещением его в соленой воде или просто замыканием конца кабеля на колонну труб, то все равно эта особенность устройства для реализации способа не будет обеспечивать интенсивное комплексное индукционное действие, распределенное по объему скважины.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей решаемой изобретением является повышение эффективности способа за счет увеличение объема и интенсивности комплексного - термического, высокочастотного акустического и низкочастотного ударно-виброволнового воздействий.
Под эффективностью способа здесь понимается:
для простаивающих по причине необходимости реанимации, восстановления циркуляции, скважин, - повышение процента скважин, на которых способ осуществлен успешно;
для действующих скважин - увеличение дебита, снижение обводнения добываемой нефти, улучшение гидродинамического режима работы: снижение нагрузок на штангу, снижение энергопотребления насосов и т.п.
Поставленная задача изобретения решается тем, что в известном способе интенсификации добычи нефти, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах, в котором передают на глубину скважины электрическую энергию в виде импульсов высокого напряжения с высокой частотой их следования по кабелю и колонне труб скважины, полученных путем разряда емкостных накопителей через импульсный трансформатор на жилы кабеля и используют их для возбуждения импульсного тока и соответственно накачки энергии импульсного магнитного поля в индукционных контурах, образованными жилами кабеля, колонной труб и (или) индуктором, посредством которых осуществляют индукционный нагрев и электродинамическое вибровоздействие на колонну труб, причем возбуждают импульсный ток в индукционных контурах более короткими по сравнению с длительностью импульсного тока импульсами высокого напряжения и при этом за счет уменьшения длительности импульсов высокого напряжения увеличивают мощность и расстояние передачи энергии тем, что увеличивают энергию в самом импульсе высокого напряжения и повышают их частоту следования, при этом используют возможность сжатия импульсов высокого напряжения в низкочастотные энергетические пакеты без потери передаваемой мощности для получения низкочастотного ударно-виброволнового воздействия, причем передачу импульсов на глубину скважин производят по параллельным каналам не менее двух, для чего используют кабель, имеющий для передачи импульсной энергии не менее трех жил, и осуществляют индукционное воздействие на колонну труб или жилой кабеля в каждом канале передачи энергии или с помощью индуктора, запитываемого с этого канала передачи энергии, причем воздействие, осуществляемого с помощью каждого канала передачи энергии осуществляется на отдельном участке путем замыкания жил кабеля в канале передачи энергии на колонну труб и (или) на индуктор, воздействующего на металл колонны на этом участке, причем участки распределены по колонне труб исходя из технологических требований необходимости интенсификации воздействий в этих зонах скважин и, при этом, уменьшают длительность импульсного тока во всех каналах передачи энергии, путем увеличения количества участков, выравнивания параметров индукционных контуров, образованным этими участками, синхронизации и выравнивания импульсов высокого напряжения в каналах передачи энергии.
За счет увеличения уменьшения длительности импульсного тока и увеличения в них энергии токов формируется сверхсуммарный эффект увеличения интенсивности распределенного по всему объему скважины высокочастотного акустического воздействия
Сверхсуммарный и новый эффект способа обусловлены резкой интенсификацией распределенного акустического и виброволнового воздействий и перераспределения его максимальной интенсивности в наиболее ответственные зоны скважины.
Еще большей интенсификации способствует способ, в котором за счет подбора коэффициент трансформации вторичной обмотки импульсного трансформатора питающей канал передачи энергии, числа витков индукторов и использования нелинейных свойств магнитопровода импульсного трансформатора для выравнивания их длительности, максимально выравнивают импульсные токи в индукционных контурах и, соответственно, в каналах передачи энергии.
Сверхсуммарный эффект этого способа заключается в том, что его новые признаки нелинейно связаны с основными известными признаками таким образом, что действуют с ними согласовано и в одну сторону - увеличение количества контуров одновременно уменьшает длительность импульсных токов и уменьшает паразитную индуктивность, которая еще более уменьшает длительность импульсных токов, выравнивание токов в контурах и, соответственно, в жилах кабеля, уменьшает длительность импульсных токов и одновременно уменьшает паразитную индуктивность, которая также сокращает длительность импульсных токов.
Наиболее интенсивное акустическое воздействие имеет способ, в котором организуют передачу энергии так, что импульсный ток в смежных, наиболее близко расположенных друг к другу жилах кабеля, протекал в данный момент времени противоположно.
Способ, в котором используют пакетный режим передачи энергии таким образом, что частоту следования пакетов настраивают под частоту механического резонанса колонны труб, проявляется новый и неизвестный ранее эффект получения сверх интенсивного ударно-виброволнового воздействия во всем объеме скважины, источником которого является вся колонна труб в скважине
Ударно-виброволновое воздействие с помощью распределенных и согласованных по объему трубы источников (генераторов) которая одновременно является и резонансным усилителем низкочастотных виброволновых воздействий и направляющей волноводной структурой не имеют аналогов в таком сочетании или в такой интеграции энергетических функций. Для усиления резонансных свойств играет роль и распределение участков с интенсивным электродинамическим воздействием по колонне труб, которое может быть определено расчетным или экспериментальным путем.
Наиболее интенсивное ударно-виброволновое воздействие производится в способе, в котором пакетный режим используют таким образом, что возбуждение одного импульса импульсного тока и, соответственно, накачки энергии в одном импульсе магнитного поля в индукционных контурах осуществляют с помощью двух и более однополярных импульсов высокого напряжения в одном пакете.
Устройство для реализации способа содержит емкостный накопитель энергии, импульсный трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки, передающий и индукционный кабель, индуктора, причем вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена секционной, передающий индукционный кабель имеет не менее трех жил, в котором жилы в чередующемся порядке подключены к секциям вторичной обмотки, при этом эти жилы с другого конца кабеля замкнуты также в чередующемся порядке на колонну труб скважины или на индукторы, расположенные последовательно с участками подключения жил кабеля так, что образуют индукционные контура для индукционного воздействия на металл колонны труб скважины.
Такое исполнение устройства позволяет осуществить способ интенсификации добычи нефти ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах со сверхсуммарным эффектом увеличения интенсивности распределенного по всему объему скважины высокочастотного акустического воздействия.
Устройство для реализации способа, в котором импульсный трансформатор выполнен двухстержневым, на котором размещены обмотки импульсного трансформатора и содержит замыкающие их ярма и, в котором образованный замкнутый магнитопровод выполнен из двух сортов магнитного материала - стержни, на котором размещены обмотки, выполнены из феррита с индукцией насыщения 0,25-0,5 Тл, а ярма - из высокочастотной стали с индукцией 1,2-2 Тл, имеет новое свойство, заключающееся в получении коротких и мощных импульсов высокого напряжения и мощных ударных воздействий импульсов магнитного поля на колонну труб, что позволяет реализовать описанный выше способ с увеличенной интенсивностью волновых воздействий.
Устройство, в котором секции вторичной обмотки импульсного трансформатора содержат подключенные к ним отсекающие диоды, реализуют способ с пакетным режимом таким образом, что эти диоды срезают обратную по отношению к первой полуволне импульсов высокого напряжения часть и тем самым создают новое свойство - накачки энергии одного импульса магнитного поля суммарным действием всех импульсов высокого напряжения в пакете.
Устройство для реализации способа, в котором многожильный кабель выполнен из изолированных проводов, установленных в сечении по кругу на равном расстоянии от центра и имеющих равномерную пространственную скрутку вокруг оси кабеля, обеспечивает новое свойство - создание крутого («ударного») фронта импульсного тока. Устройство для реализации способа, в котором индукторы выполнены в виде одного и более витков расположенных вдоль колонны труб обеспечивает другое новое свойство, заключающемся в согласованной и симметричной работе индукторов с другими частями индукционной кабельной системы воздействия на колонну.
Развитием этого устройства для усиления ударного виброволнового воздействия в глубинной части скважины и призабойной зоне пласта, является устройство для реализации способа, которое содержит индуктор из нескольких витков провода расположенных на хвостовике скважинного насоса вдоль его трубной части, причем индуктор закрыт еще наружной трубой, имеющей продольно-гофрированную поверхность.
Устройство для реализации способа, в котором индукторы выполнен с помощью многожильного кабеля так, что при расположении этого кабеля на поверхности колонны труб в виде петли из одного витка вдоль колонны, приклипсованного к телу трубы, и витки индуктора образованы путем попарного соединения жил с двух сторон петли, кроме одной жилы с одной стороны и одной жилы с другой стороны петли так, что образуют многовитковую конструкцию с витками, примыкающими к поверхности труб вдоль колонны, имеет технологическое преимущество, заключающееся в простоте и скорости монтажа его при спуске колонны труб в скважину.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 - изображена схема устройства для реализации способа.
На фиг. 2 - изображена схема устройства для реализации способа с индуктором для интенсификации притока нефти из пласта, размещенным на колонне труб, в зоне интенсивного разгазирования нефти.
На фиг. 3 - изображена схема реализации способа с индуктором для интенсификации притока нефти из пласта, в зоне перед насосом для добычи нефти.
На фиг. 4 - поясняет принцип действия устройства для реализации способа.
На фиг. 5 - изображена конструкция кабеля, входящего в состав устройства, с помощью которого реализуется способ.
На фиг. 6 и фиг. 7 - изображены схемы, поясняющие принцип действия индукторов, соответственно, с продольным полем и поперечным полем.
На фиг. 8 - изображена электрическая схема замещения устройства для реализации способа.
Осуществление изобретения
В заявленном изобретении, касающегося способа интенсификации добычи нефти, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах, в котором передают электрическую энергию в виде импульсов высокого напряжения с высокой частотой их следования по кабельной передающей линии и колонне труб скважины и используют их для накачки импульсного тока и соответственно энергии импульсного магнитного поля в индукционных контурах, образованными жилами индукционного кабеля и (или) индуктора, посредством которого осуществляют индукционный нагрев и электродинамическое вибровоздействие на колонну труб, при этом вводятся приведенные ниже новые операции:
- передачу импульсов на глубину скважин производят по параллельным каналам не менее двух, для чего используют кабель, имеющий для передачи импульсной энергии не менее трех жил, и осуществляют индукционное воздействие на колонну труб скважины или жилой кабеля в каждом канале передачи энергии, или с помощью индуктора, запитываемого с этого канала передачи энергии,
- воздействие, осуществляемого с помощью каждого канала передачи энергии, осуществляется на отдельном участке, путем замыкания жил кабеля в канале передачи энергии на колонну труб скважины и (или) на индуктор, воздействующего на металл колонны труб на этом участке,
- участки распределяют по колонне труб скважины, исходя из технологических требований, необходимости интенсификации воздействий в этих зона скважин и при этом, уменьшают длительность импульсного тока во всех каналах передачи энергии, путем увеличения количества участков, выравнивания параметров индукционных контуров, образованным этими участками, синхронизации и выравнивания импульсов высокого напряжения в каналах передачи энергии.
В результате осуществляется интенсификация акустического высокочастотного и ударно-виброволнового воздействий во всем объеме скважины, за счет чего оно усиливается этим объемом и помимо того, что это комплексное воздействие, действуя на адгезионные, когезионные силы и силы трения, увеличивает текучесть нефти в лифте скважин, оно использует обсадную колонну, как направляющую структуру для излучения мощного потока высокочастотной волновой энергии в прискважинную зону пласта (ПЗП), а глубоко проникающее виброволновое воздействие и вглубь пласта.
Термическое воздействие, помимо своего прямого действия на вязкость нефти и расплавления отложений, взаимодействует с волновым воздействием таким образом, что снижает сопротивления одновременно и волновому потоку энергии внутри скважины и излучению ее с вибрирующей и нагретой поверхности металла труб.
В результате резко и многократно увеличивается эффективность способа для интенсификации добычи и ликвидации и профилактики отложений:
для простаивающих по причине необходимости реанимации, восстановления циркуляции скважин, повышается процент скважин, на которых способ осуществляется успешно;
для действующих скважин - происходит увеличение дебита, снижение обводнения добываемой нефти, улучшение гидродинамического режима работы: снижение нагрузок на штангу, снижение энергопотребления насосов и т.п.
При этом используется тот факт, что возбуждение волновой энергии во все объеме скважины более эффективно, когда источники воздействия распределены не непрерывно по всей глубине, а дискретно - непрерывно, т.е. когда воздействие осуществляется по участкам распределенных по глубине скважины, так как на этих участках можно увеличить импульсную мощность и соответственно интенсивность волновой энергии многократно.
В этой связи, колонну труб перед спуском в скважину, разбивают на участки, где в наибольшей степени необходимы наиболее интенсивные воздействия (например, в местах скопления парафинов (фиг. 1).
При необходимости обеспечить интенсивное разгазирование нефти на начальном участке лифта скважины, на последнем участке устанавливают индуктор 16 (фиг. 2).
При необходимости интенсификации притока нефти в скважину, индуктор 16 устанавливается на хвостовик насоса 17, таким образом, что при спуске колонны труб, индуктор 16 всей своей длиной перекрывал участок перфорации 18 в обсадной колонне скважины 15, в прискважинной зоне пласта (ПЗП) (фиг. 3).
Длину участков и параметры индукторов 16, от которых зависят электрические мощностные характеристики импульсных токов, определяют заранее исходя из технологических требований, а параметры индукторов 16 определяют путем предварительных экспериментов на макете, составленных из 3-4 труб. Такую работу можно провести один раз и использовать результаты в последующем. При необходимости изменения длины индукторов на разных скважинах, параметры последних, пересчитываются таким образом, чтобы сохранялось произведение длины индуктора на квадрат числа витков индуктора.
Для создания комплексного воздействия в составе: термического, высокочастотного акустического и низкочастотного ударно-виброволнового воздействий распределенных во всем объеме скважины и усиленных объемным резонансом, используют емкостные накопители энергии 11 и 12, которые разряжают через импульсный трансформатор 1 на линию кабеля 2, содержащую три или более проводящие жилы 3-6, подключенные в чередующемся порядке с помощью держателей - протекторов стандартной конструкции 7 к металлу колонны труб 14 и к вторичной обмотке импульсного трансформатора 1, которая выполнена двухсекционной (на фиг. 1 - секции 8 и 9).
На фиг. 1 изображена схема устройства с двумя участками колонны труб 14 и линией с четырехжильным 3-6 кабелем 2.
Первый участок, образующий первый индукционный контур тока, внутри которого создается импульсное магнитное поле, образован жилами 3 и 4 кабеля 2, проводником металла трубы 14 участка I, секцией вторичной обмотки 8 импульсного трансформатора 1. Второй участок, образующий второй индукционный контур тока, образован жилами 5 и 6 кабеля 2, проводником металла колонны труб 14 участка II, секцией вторичной обмотки 9 импульсного трансформатора 1.
На фиг. 2 и фиг. 3, второй индукционный контур тока образован жилами 5 и 6 кабеля, секцией вторичной обмотки 9 импульсного трансформатора 1 и индуктором 16.
Для создания, как высокочастотного акустического, так низкочастотного вибровоздейсвия за счет электродинамических сил важна скорость нарастания импульсного тока, зависящая от величины импульсного напряжения и индуктивности индукционного контура тока и формирующая силу давления магнитного поля на металл при его проникновении вглубь металла и скорость спада, во время которого формируется обратная сила за счет давления магнитного поля внутри металла при его выводе из металла. При уменьшении эквивалентной индуктивности в нагрузке генератора импульсов высокого напряжения за счет разбиения ее на несколько индукционных контуров и их параллельного включения увеличивает как скорость нарастания импульсного тока, так и скорость его спада, формирующая обратную силу на металл, так как силы давления магнитного поля (равные градиенту энергии этого поля на поверхности металла), возникают и при проникновении поля в металл и при выводе его из металла. Обратная сила суммируется с силой упругой деформации металла и может быть также значимой. Перезаряд емкости через остаточную индуктивность и формирование обратного напряжения на кабельной линии, способствует увеличению скорости обрыв импульсного тока в жилах кабеля и увеличению обратной силы. Чередование прямой и обратных полуволн давления на поверхности металла колонны труб порождает интенсивное колебания этой поверхности и излучению волновой энергии в объем скважины.
Таким образом, реализация способа, в котором передачу импульсов на глубину скважин производят по параллельным каналам не менее двух, для чего используют кабель, имеющий для передачи импульсной энергии не менее трех жил, и осуществляют индукционное воздействие на колонну труб или жилой кабеля в каждом канале передачи энергии или с помощью индуктора, запитываемого с этого канала передачи энергии, причем воздействие, осуществляемого с помощью каждого канала передачи энергии осуществляется на отдельном участке путем замыкания жил кабеля в канале передачи энергии на колонну труб и (или) на индуктор, воздействующего на металл колонны труб на этом участке, причем участки распределены по колонне труб исходя из технологических требований, необходимости интенсификации воздействий в этих зона скважин и при этом уменьшают длительность импульсного тока во всех каналах передачи энергии, путем увеличения количества участков, выравнивания параметров индукционных контуров, образованными этими участками, синхронизции и выравнивания импульсов высокого напряжения в каналах передачи энергии, позволяет получить сверхэффект способа интенсификации воздействий от усиления электродинамических сил от взаимодействия двух взаимозависимых факторов:
- увеличения скорости нарастания импульсного тока от уменьшения индуктивности индукционного контура тока плюсуется с увеличением скорости нарастания импульсного тока от непропорционального увеличения напряжения в импульсе высокого напряжения от уменьшения длительности импульсного тока.
Таким образом, формируется сверхсуммарный эффект увеличения интенсивности, распределенного по всему объему скважины, высокочастотного акустического воздействия.
Этому способствует и то, что индукционные контуры, как видно из схемы замещения на фиг. 8, подключаются к разрядной цепи параллельно, поэтому длительность импульса тока во всех контурах уменьшится, а при выравнивании параметров индукционных контуров - длин участков числа, витков индукторов, а также изменения коэффициентов трансформации секций вторичной обмотки, уменьшение длительности будет минимальным и пропорциональным корню квадратному из числа контуров
Другим новым эффектом этого способа является повышение его интенсивности за счет оптимизации расположения участков с максимальной интенсивностью воздействий в зонах скважины, где именно требуется - в зонах интенсивного парафиновых образований, в зоне отложений кольматирующих веществ (в ПЗП), в зоне подвески насоса, в зоне разгазирования нефти и образования гидратов и т.п. (фиг. 1 и фиг. 3).
В тоже время, в состав индуктивности индукционных контуров тока входит и индуктивность жил кабеля 2, в той части кабеля 2, которые являются только передающими и их магнитное поле является в этой части чисто паразитным - не участвуют в создании индукционного нагрева и вибрации. Поэтому развитием способа, в котором резко уменьшается это паразитное поле, является способ, в котором организуют передачу энергии так, что импульсный ток в смежных наиболее близко расположенных друг к другу жилах кабеля протекал в данный момент времени противоположно и тем самым размагничивал друг друга. Если при этом, максимально выравнивают импульсные токи по длительности в образованных индукционных контурах и соответственно в жилах кабеля как указано выше, то это поле - как поле большого количества встречно направленных осцилляторов, можно уменьшить практически до нуля при достаточно большом их количестве.
Вообще говоря, уменьшение индуктивности линии передачи энергии путем расщепления проводов известно. Однако применение этого приема вместе с мерами выравнивания тока в каналах передачи энергии путем изменения параметров индукционных контуров сопределяет сверхсуммарный эффект, заключающейся в резком нелинейном усилении импульсного тока в этих индукционных контурах, а значит и интенсивности их индукционного действия. Нелинейный эффект объясняется тем, что его новые признаки нелинейно коррелируют с основными признаками таким образом, что действуют с ними согласовано и в одну сторону - увеличение количества контуров, одновременно уменьшает длительность импульсных токов и уменьшает паразитную индуктивность, которая еще более уменьшает длительность импульсных токов, выравнивание токов в контурах и соответственно в жилах кабеля уменьшает длительность импульсных токов и одновременно уменьшает паразитную индуктивность, которая также сокращает длительность импульсных токов. Этот эффект особо значим, так как паразитная индуктивность обычного кабеля, который служит только для передачи энергии на сопоставимые расстояния может быть сравнимым с индуктивностью индукционных контуров или для глубоких скважин даже превосходить ее.
Уменьшение длительности импульсных токов позволяет повысить плотность передаваемой энергии за счет повышения частоты следования импульсов высокого напряжения, настолько, что это является по тепловому (термическому) эффекту избыточным. Избыточной является и установленная мощность установки для генерирования этих импульсов. В то же время частота следования импульсов тока является существенной так это частота звукового (акустического) воздействия, которая является технологическим параметром способа.
Оптимальным вариантом способа является способ, при котором импульсы высокого напряжения формируют в пакеты, с оптимальной частотой следования в пакете, а значит с оптимальной частотой акустического воздействия, а передаваемую среднюю (тепловую) мощность, а значит и установленную мощность устройства для реализации способа устанавливают из условия скважности пакетов. При этом проявляется получение нового эффекта - усиление интенсивности распределенного во всем объеме скважины низкочастотного ударно-виброволнового воздействия за счет того, что эти пакеты, в отличие от прототипа 2, действуют на всю колонну труб, имеющей способность порождать резонансные колебания, что при настройке частоты следования пакетов под частоту механического резонанса колонны труб и приводит к этому новому эффекту.
Ударно-виброволновое воздействие с помощью распределенных и согласованных по объему трубы источников (генераторов), которая одновременно является и резонансным усилителем низкочастотных виброволновых воздействий и направляющей волноводной структурой, не имеют аналогов в таком сочетании или в такой интеграции энергетических функций.
Для усиления резонансных свойств, играет роль и распределение участков с интенсивным электродинамическим воздействием по колонне труб, которое может быть определено расчетным или экспериментальным путем.
Способ, в котором пакетный режим используют таким образом, что возбуждение одного импульса импульсного тока и соответственно накачки энергии в одном импульсе магнитного поля в индукционных контурах осуществляют с помощью двух и более однополярных импульсов высокого напряжения в одном пакете, позволяет и в этом случае получит дополнительный эффект усиления уже самого ударно-виброволнового воздействия, так как возбуждение импульса тока осуществляется еще более короткими и значит еще более мощными импульсами высокого напряжения. Фронт импульса тока будет иметь ступенчатую форму с крутыми подъемами и короткими пологими промежутками. Электродинамическая сила, которая как указывалось ранее, пропорционально скорости нарастания тока, а значит, крутизне подъема на каждой ступеньке имеет пульсирующий с высокой частотой следования импульсов напряжения характер, а учитывая инерционность массы металла колонны труб воспринимается ей как один импульс силы, в который вложена вся энергия пакета в соответствии с законом сохранения энергии - импульса.
Устройство для реализации способа отличается от прототипа в первую очередь конструкцией многожильного кабеля 2 (Фиг. 5), схемой подключения 4-х жил 3, 4, 5, 6 кабеля 2 к колонне труб 14 и к индуктору 16, и конструкцией импульсного трансформатора 1 (фиг. 4), обеспечивающие реализацию способа с интенсивным акустическим и вибровоновым воздействием во всем объеме скважин и усилением его в ответственных участках скважины.
При этом главной особенностью устройства для реализации способа является то, что импульсный трансформатор 1 выполнен из двух стержней 19, на которых размещены обмотки 8, 9, 10 импульсного трансформатора 1 и содержит, замыкающие их, двух ярм 20 и, в котором образованный замкнутый магнитопровод, выполнен из двух сортов магнитного материала - стержни 19, на котором размещены обмотки 22, выполнены из феррита с индукцией насыщения 0,25-0,5 Тл, а ярма 20 - из высокочастотной стали с индукцией 1,2-2 Тл, в процессе работы.
Такое исполнение, сокращает длительность импульсов высокого напряжения при сохранении магнитной связи между обмотками импульсного трансформатора 1, обеспечивающей мощную накачку импульсного тока.
Для распределения волнового воздействия по объему скважины, вторичная обмотка импульсного трансформатора 1 выполнена 2-х секционной - 8 и 9, передающий индукционный кабель 2 имеет не менее трех жил, в котором жилы в чередующемся порядке подключены к секциям 8 и 9 вторичной обмотки, при этом эти жилы с другого конца кабеля, замкнуты также в чередующемся порядке на колонну труб 14 в скважине или на индукторы 16, расположенные последовательно с участками подключения жил так, что образуют индукционные контура тока для индукционного, распределенного по длине воздействия на металл колонны труб скважины.
Устройство работает следующим образом. При разряде емкостных накопителей 11 и 12, заряженных от источника тока 13, на первичную обмотку 10 импульсного трансформатора 1, в индукционных контурах тока и в секциях вторичной обмотки 8 и 9 формируется импульсный ток, под действием импульса высокого напряжения. Длительность импульса высокого напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора 1 определяется по порядку величин преимущественно эквивалентной индуктивностью индукционного контура, включающей индуктивность намагничивания импульсного трансформатора 1 и индуктивностью вторичной цепи, включенных согласно электрической схеме замещения на фиг. 8, параллельно (получение электрической схемы замещения будет изложено ниже). А длительность импульса тока во вторичной цепи импульсного трансформатора 1 определяется преимущественно индуктивностью вторичной цепи. При большом значении индуктивности намагничивания, длительности импульса напряжения и импульса тока совпадают. Такой процесс, например, реализован в близком аналоге 1.
В прототипе 2, импульсы высокого напряжения укорачиваются тем, что срезается их задняя часть путем насыщения магнитопровода трансформатора, с потерей связи между первичной и вторичной обмотками импульсного трансформатора и вследствие чего уменьшается передаваемая для накачки.
В нашем случае, устройство реализует способ таким образом, что насыщается только узкая зона в зоне стыка из частей магнитопровода импульсного трансформатора 1 с разной магнитной проницаемостью, что эквивалентно появлению параметрического зазора, который исключает насыщение всего магнитопровода импульсного трансформатора 1, что позволяет получить укороченный импульс напряжения, порождающий импульсное магнитное поле с большей энергией. Для передачи импульсной энергии на расстоянии важна длительность импульса высокого напряжения - более короткими импульсами, можно как это установлено в прототипе 2, передать более высокую мощность, как и за счет увеличения напряжения импульсов, из-за увеличенной электрической стойкости изоляции к коротким импульсам, так и увеличения частоты следования импульсов.
Необходимо также отметить, что принцип формирования коротких импульсов высокого напряжения путем их среза, насыщающимся магнитопроводом импульсного трансформатора, как в устройстве прототипа 2, абсолютно не подходит для эффективной реализации способа. Генерирование импульсов напряжения таким устройством, не обеспечит накачку энергии в индукционный контур тока, так как на стадии спада импульса связь между первичной и вторичной обмоткой импульсного трансформатора теряется и между секциями вторичной обмотки будет рассогласование и будут перетоки энергии между секциями, приводящими в свою очередь неравномерности токов в жилах кабеля 2. В тоже время, сокращение длительности импульсов напряжения с помощью свойств импульсного трансформатора 1, является требованием способа, по которому возбуждение импульсных токов осуществляется с помощью более коротких, чем сам импульсный ток импульсов высокого напряжения с максимально возможной эффективностью создания ударного электродинамического воздействия. Новым свойством такого устройства является получение коротких и мощных импульсов высокого напряжения и мощных ударных воздействий импульсов магнитного поля на колонну труб 14, позволяющего реализовать описанный выше способ с увеличенной интенсивностью волновых воздействий.
фер
ст.
нас
Это происходит за счет следующего. При достижении индукции близкой к индукции насыщения ферритового магнитопровода стержней 19, его магнитная проницаемость становится меньше, чем магнитная проницаемость стального магнитопровода ярм 20 и поле, в зоне примыкания ферритового стержня 19 к стальному сердечнику магнитопровода ярма 20 определится суммой поля реакции ферритового стержня Ф и поля реакции стального ярма Ф. За счет того, что они суммируются в зоне контакта, то индукция поля В в этой зоне станет больше, чем в остальной части ферритового стержня 19 и превысит индукцию насыщения В (см. фиг. 4). Это вызовет насыщение феррита стержня 19 в этой примыкающей зоне, что эквивалентно введению зазора (на фиг. 4 - это заштрихованная зона 21), который предотвращает насыщение ферритового стержня 19 и сохраняет магнитную связь обмоток. В то же время в ведение такого параметрического зазора приведет существенному уменьшению индуктивности импульсного трансформатора 1, что в свою очередь приведет к быстрому разряду емкостных накопителей энергии 11 и 12, и последующему их перезаряду до некоторого остаточного значения энергии. Во время разряда и перезаряда емкостных накопителей 11 и 12, в зазоре импульсного трансформатора 1 будет накоплена энергия, которая будет передана во вторичную цепь (так магнитная связь между первичной и вторичной обмотками сохраняется во все время перезарядного процесса). В результате на выходе будет сформирован короткий импульс высокого напряжения с полной отдачей энергии в энергию импульсного тока в индукционных контурах.
Устройство, в котором используют однополярные импульсы, для получения которых секции вторичной обмотки 8 и 9 импульсного трансформатора 1 (фиг. 1), содержат подключенные к ним отсекающие диоды, отличается тем, что реализуют способ с пакетным режимом таким образом, что эти диоды обеспечивают накачки энергии одного импульса магнитного поля суммарным действием всех импульсов высокого напряжения в пакете.
Это новое свойство - накачка большей энергии в коротком импульсе магнитного поля еще более короткими и вследствие этого более мощными импульсами высокого напряжения обеспечивается срезом в них обратной полуволны.
Эффективность работы устройства для реализации описанного выше способа, обеспечивается так же тем, что многожильный кабель 2 выполнен из изолированных проводов, установленных в сечении по кругу на равном расстоянии от центра и имеющих равномерную пространственную скрутку вокруг оси кабеля 2 (фиг. 5). Жилы этого кабеля 2 относительно уже поля индуцированного токами в колонне труб 14 имеют абсолютную пространственную симметрию, что еще больше способствует выравниванию тока в жилах кабеля 2.
Известен эффект, когда при поступлении импульса напряжения с крутым передним фронтом в кабель из множества проводников поверхностный эффект проявляется таким образом, что ток заполняет все сечение кабеля за конечное время, т.е. каждый проводник в проводе «включается» за какое то конечное время, зависящее от расположения проводника в группе (в сечении провода). Механизм здесь такой же, как и при заполнении током массивного провода Можно так же оценить влияние скин-эффекта такой величиной, как временем заполнения током толщины проводника, Так согласно статье в zompro.ru>index…uravnivanie-potentsialov…svojstva «Высокочастотные свойства эквипотенциальных проводников», автор: Терентьев Дмитрий, технический директор COMMENG, приводятся сведения, что при воздействии импульса напряжения круглый медный одножильный провод сечением 16 кв. мм заполняется током за время порядка 1,5 мкС. Стальной проводник, того же сечения (при относительной магнитной проницаемости, равной 1000), за 25 мкС.
Так как, сечение проводников в цепи резонансного контура, образованный соединительными проводами и первичной обмоткой 10 импульсного трансформатора 1 составляет 200-300 мм*2 (на импульсные токи 1500-2000 А), то время заполнения током таких медных проводников 8-10 мкС, сопоставима с сечением сплошного провода (из бесконечно большого количества проводников) заполняется током от прямоугольного импульса в течение 2,5 мкс. Если бы, в сечении кабеля проводники были бы на разном расстоянии от центра, то они бы заполнялись током (включались) с задержкой времени от периферии к центру, т.е. сначала внешние проводники, затем внутренние. Одинаковое расстояние всех проводников от центра создает условия для одновременного заполнения током всех проводников и одновременного включения их в передачу импульса. Однако приведенные рассуждения справедливы для одиночно расположенного кабеля при его расположении вблизи металлических тел, включает механизм эффекта близости, который в импульсном режиме действует так, что сначала заполняется током проводники наиболее близкие к металлу, на который действует импульсное магнитное поле, затем с задержкой по времени остальные проводники. Скрутка вокруг оси кабеля осе симметрично расположенных проводников выравнивает их условия относительно расположения к металлу и тем самым устраняет эффект близости. Устранение поверхностного эффекта и эффекта близости исключает «размазывание» импульса по времени во время передачи его по кабелю и сохраняет его малую длительность и увеличивает крутизну его переднего (ударного) фронта.
Исполнение устройства с перечисленными конструктивными приемами обеспечивает требование выравнивания токов в жилах кабеля способа интенсификации добычи нефти, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах и способствует повышению эффективности этого способа за счет усиления интенсивности во всем объеме скважин комплексного - термического акустического и ударно-виброволнового воздействий.
Наиболее оптимальной конструкцией устройства для реализации способа является конструкция индуктора 16 с поперечным к оси колонны труб полем, т.е. конструкция индуктора, выполненного из витков провода, уложенных в виде петли примыкающей к поверхности трубы вдоль продольной оси колонны труб (фиг. 2 и фиг. 3).
Такая конструкция, необходимость которой вызвана технологической потребностью на определенном участке, повысить концентрацию преимущественно термического действия и в какой-то части акустического высокочастотного и ударно-виброволнового воздействий, позволяет легко выровнять по параметрам с другими индукционными контурами путем изменения числа витков индуктора. Необходимо отметить, что стандартная конструкция индуктора в виде цилиндрической катушки на трубе не позволяет это сделать по следующим соображениям.
М
Э
М
Э
М
Э
Э
*
М
*
Как было отмечено выше, выравнивание индукционных контуров необходимо вести по индуктивному сопротивлению индукционного контура тока, так как этот параметр на порядок выше чем, активная компонента комплексного сопротивления индукционного контура. На фиг. 6а и фиг. 6б изображено распределение магнитных потоков для цилиндрического индуктора и соответствующая ему магнитная схема замещения, построенная согласно общепринятой методике расчета индукторов [Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л. «Энергия», 1974] путем разбиения этой схемы на участки, магнитные сопротивления которых при некоторых допущениях можно посчитать. Полученной магнитной схеме в соответствии с принципом дуальности соответствует электрическая схема замещения - с заменой магнитных сопротивлений Z на электрические Z таким образом, что параллельные соединения магнитных сопротивлений Z преобразуются в последовательные соединения электрических сопротивлений Z и наоборот последовательные соединения Z преобразуются в параллельные соединения Z. При этом справедливо и преобразование Z~1/Z (знак "~" - означает пропорциональность, знак "" означает комплексное сопряжение, коэффициентом пропорциональности в этой формуле для синусоидальных сигналов является круговая частота. Для импульсного сигнала этот коэффициент будет представлять собой ряд, составленный из круговых частот гармоник, на которые раскладывается импульсный сигнал, что для наших рассуждений не играет роли.)
Эта формула справедлива при расчете на один виток индуктора, поэтому параметры схемы замещения приведены к одному витку индуктора.
0
Э0
Э2
S
Параметры цилиндрического индуктора для длинных индукторов (когда длина, например в 1-и более раз больше диаметра, согласно стандартной методики расчета (см. например Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л. «Энергия», 1974) определяется индуктивным сопротивлением магнитного потока на пути обратного замыкания в зазоре между наружным диаметром индуктора и внутренним диаметром обсадной колонны. На электрической схеме замещения (фиг. 8) этот параметр обозначен Х. Магнитный поток, замыкающийся по НКТ и на пути обратного замыкания по обсадной колонне, размагничивается вихревыми токами обсадной колонны и определяет комплексное сопротивление Z, магнитное сопротивление магнитному потоку в НКТ, размагничивающемся вихревыми токами в НКТ - Z. Сопротивления рассеяния X определяется магнитным потоком в зазоре между индуктором и НКТ. Комплексным сопротивлением самого провода индуктора пренебрежем.
Выберем некоторые характерные размера определяющие габариты; L - длина индуктора, D - средний диаметр между наружным диаметром НКТ и внутренним диаметром, обсадной колонным.
0
0
1
S
2
Н
2
Н
Сопротивление Х (обратно пропорциональное магнитному сопротивлению R) в пересчете на один виток пропорционально площади поперечного к оси НКТ сечения воздушного зазора между индуктором и обсадной колонной (приблизительно равного h*D, где - высота зазора, - средний диаметр между диаметром индуктора и диаметром обсадной колонны) и обратно пропорционально длине пути обратного замыкания магнитного потока, т.е. длине индуктора L или длине участка, охватываемого индуктором. Соответственно X пропорционально площади сечения h*К*D (h - величина зазора, К - коэффициент уменьшения диаметра D до среднего по зазору) и обратно пропорционально длине индуктора L. Комплексное электрическое сопротивления вихревым токам, согласно методике расчета, пересчитывается с помощью неких коэффициентов по условному сопротивлению постоянному току, протекающему в пределах глубины проникновения, которое обратно пропорционально площади сечения протекания тока L*d (d - глубина проникновения тока) и прямо пропорционально длине проводника - для длины окружности наружного диаметра НКТ, для длины окружности внутреннего диаметра обсадной колонны. Оба последних параметра пропорциональны D, первый с коэффициентом меньше единицы второй больше единицы. Таким образом, мы вывели, что все параметры схемы замещения (см. фиг. 6) для цилиндрического индуктора с некоторыми коэффициентами пропорциональны соотношению D/L.
2
Далее, лучше проводить относительное сравнение с поперечным индуктором. Аналогично предыдущему, построим схему магнитного замещения путем выделения, участков на которых можно посчитать магнитные или соответствующие электрические параметры. Если выделить, аналогично предыдущему, магнитные потоки и магнитные сопротивления, как показано на фиг. 7 и обозначить магнитные сопротивления для магнитного потока через НКТ и обсадную колонну, для потоков в зазоре между индуктором и обсадной колонной и в зазоре между индуктором и НКТ теми же буквами, получим схемы замещения полностью идентичные схемам фиг. 6. Нетрудно заметить, что для выделенных параметров для вариантов индуктора с продольным полем и для индуктора с поперечным полем соблюдается некоторый принцип обратной дуальности. Магнитные потоки в первом случае замыкаются в продольном направлении на расстоянии, пропорциональном L, и через сечение, площадь которого пропорционально D, и, наоборот, во втором случае потоки замыкаются через сечение, площадь которого пропорциональна L. И проходят по пути, длина которого пропорциональна D. Если применить рассуждения, какие были применены для индуктора с продольным полем, то для поперечного поля получим, что все параметры электрической схемы применительно к индуктору с поперечным полем с некоторыми поправочными коэффициентами пропорциональны соотношению L/D, т.е. пропорционально обратному соотношению для продольного индуктора, причем поправочные коэффициенты, связанные с геометрическими параметрами протекания вихревых токов больше по величине, чем в индукторе с продольным полем. Это связано с тем, что вихревые токи в индукторе с поперечном полем не заполняют всю поверхность труб, а стягиваются в зону расположения витков петлеобразного индуктора (см. фиг. 7), увеличивая не только сопротивление вихревым токам, но сопротивления рассеяния за счет уменьшения длин силовых линий поля и соответственно уменьшения магнитного сопротивления (между этими параметрами, как указано выше, взаимно обратная зависимость). Таким образом, индуктор с поперечным полем для участка, где L больше D имеет все значения параметров электрической схемы замещения не менее чем в (L/D) раз больше, чем значения параметров схемы замещения индуктора с продольным полем. А значит, и эквивалентное индуктивное сопротивление индукторов также соответствует этому соотношению. Таким образом, чтобы сравниваемые индуктора имели одинаковые эквивалентные индуктивные сопротивления, индуктор с продольным полем должен иметь витков в L/D раз больше, чем индуктор с продольным полем.
Допустим по условиям согласования с участком подключения двух жил 1500 м. (от устья до подвески насоса, на 15 метровом участке хвостовика, расположенного на горизонтальном участке скважины в зоне пласта нужно иметь 10 витков поперечного индуктора, подключенного к двум другим жилам кабеля. Тогда продольный индуктор, если его применить взамен, должен содержать 1000 витков, что сделает его конструкцию неприемлемой по габаритам и, которая даже не впишется в размер скважины. При этом, сам индуктор с поперечным полем будет иметь эквивалентные параметры одновитковой конструкции на 1500 м (потому что индуктивность у индукторов одинаковой и подобной конструкции пропорциональна квадрату числа витков).
Наиболее востребована такая конструкция для усиления термического и ударного виброволновго воздействия в глубинной части скважины, примыкающей к зоне пласта для чего поперечный индуктор из нескольких витков провода расположенных на хвостовике скважинного насоса вдоль его трубной части, и в котором эффект усиливается путем применения защитной трубы одетой сверху индуктора, причем эта труба имеет продольно гофрированную поверхность. Магнитное поле такого индуктора, зажатое между двумя магнитными металлическими поверхностями, имеет большие градиенты энергии на этих поверхности и значит, создает большие импульсы силы.
Гофрированная поверхность является хорошим передатчиком этих импульсов силы на скважинную среду, а также хорошим теплообменником. Новым эффектом такой конструкции является непосредственное создание волн давлений в самой скважинной жидкости с сверхсуммарной интенсивностью виброволнового воздействия от двух труб.
Наиболее просто реализовать такой индуктор при подготовительных работах, непосредственно перед спуском колонны труб в скважину, с помощью многожильного кабеля так, что при расположении этого кабеля на поверхности колонны труб в виде петли из одного витка вдоль продольной оси колонны, прикрепленного телу трубы с помощью специальных устройств - протекторов и при по парном соединении жил с двух сторон петли, кроме одной жилы с одной стороны и одной жилы с другой стороны петли, образуется многовитковая конструкция с витками, примыкающими к поверхности труб вдоль колонны.