УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОДУКТИВНЫЙ ПЛАСТ И ПРИЗАБОЙНУЮ ЗОНУ
DEVICE WITH COMBINED EFFECT ON PRODUCTIVE FORMATION AND BOTTOM-HOLE ZONE

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для применения волновой технологии совмещенного воздействия на продуктивные пласты для повышения извлечения углеводородов.
В патенте США №4000757 (НКИ 137-834) заявлено струйное бистабильное устройство с большим коэффициентом усиления. Особенность его заключается в использовании вихревых эффектов. Рабочая среда подается в профилированный сужающийся входной канал устройства, к боковым стенкам которого примыкают «лепесткообразные» полости с каналами управления. Вниз от этих полостей установлены направляющие стенки, по потоку от которых размещены «лепесткообразные» полости вихревой обратной связи. К этим полостям примыкают выходные каналы.
При подаче рабочего тела во входной канал и при отсутствии управляющих сигналов возникает колебательный режим работы, причем переключение подачи расхода в выходные каналы идет в противофазе.
Подача управляющего сигнала вызывает смещение основного потока жидкости в сторону одной из «лепесткообразных» полостей вихревой обратной связи, приводя к росту амплитуды колебаний в одной из выходных каналов в сравнении с другим выходным каналом.
Недостатком этого устройства является необходимость применения дополнительной системы формирования и подачи управляющего расхода жидкости, что существенно снижает надежность применения его в условиях забоя скважины в продуктивном пласте. Другим недостатком этого устройства генерации импульсов расхода (давления) является практически невозможность использования подобных устройств для обработки пластов низкочастотными колебаниями (в диапазоне инфразвука и десятков Гц). Для генерации импульсов давления низкой частоты потребуется значительное увеличение объема «лепесткообразных» полостей для вихревой обратной связи, что обусловлено необходимым временем распространения возмущения, определяемым как частотой переключения направления движения жидкости к выходным каналам, так и скоростью распространения возмущения в объеме «лепесткообразных» полостей. В условиях ограниченного внутреннего диаметра обсадной колонны нагнетательной скважины устройство, основанное на этом способе, не размещается.
Известно, что затухание в пласте колебаний давления низкой частоты значительно меньше в сравнении с затуханием колебаний высоких частот (Кузнецов О.Л., Симкин Э.М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты. - М.: Мир, 2001, с.24-25; Боголюбов Б.Н., Лобанов В.Н., Бриллиант Л.С. и др. Интенсификация добычи нефти низкочастотным акустическим воздействием // Нефтяное хозяйство, 2000, №9, с.80-81).
Известно устройство генерации импульсов расхода (давления) с увеличенной амплитудой (Xu Yong, Yang Shuxing and Zhou Zignang / The research and application survey of fluidic amplifier. Beijing Institute of Technology, 100081, Beijing, P.R. China). В устройстве струя жидкости подается через входное сопло и под действием управляющего усилия от струи жидкости, подаваемой через канал управления за соплом, она отклоняется в один из двух каналов, заглушенных с торца и имеющих отводы в виде выходных патрубков, отстоящих на некотором расстоянии от заглушенных торцов каналов. При этом в силу прилипания струи к стенке канала, жидкость заполняет его, после чего происходит отвод жидкости из канала в выходной патрубок. Это приводит к последующему эжектированию дополнительной жидкости из заглушенного объема канала в тот же выходной патрубок, в результате чего увеличивается амплитуда импульса расхода (давления) на выходе из патрубка в сравнении с ее значением в отсутствии заглушенной части канала. При подаче управляющего усилия посредством струи жидкости через противоположный канал управления основная струя рабочего тела переключается в другой канал и процесс повторяется аналогичным образом.
Недостатком этого устройства является низкая надежность при эксплуатации подобных систем в условиях забоя скважин из-за наличия системы подачи рабочей жидкости в управляющие каналы, а также наличия системы управления подачей этой жидкости.
Известно другое устройство генерации импульсов расхода (давления) повышенной амплитуды в потоке жидкости, основанное на использовании бистабильной струи в усилителе (патент US №4181153). В устройстве струя жидкости подается через входное сопло в камеру, в которой под действием управляющей струи жидкости, подаваемой через один из двух каналов управления, расположенных за входным соплом, поток рабочего тела отклоняется в один из выходных каналов, прилипая к стенке. Выходные каналы соединены посредством разделителя потока.
Двигаясь к выходу канала, поток жидкости втекает в узкую протяженную трубу, заканчивающуюся «упругой» емкостью, в результате чего, за счет своего скоростного напора, в ней имеет место восстановление давления. При подаче управляющей струи в другой канал управления происходит переключение струи жидкости (рабочего агента) во второй выходной канал, с выхода которого струя поступает в окружающую среду. С момента переключения потока жидкости во второй канал, часть жидкости, находящаяся под более высоким давлением в «упругой» емкости, эжектируется во второй канал, что приводит к увеличению амплитуды давления на выходе до 30% в сравнении с вариантом отсутствия «упругой» емкости.
Однако это устройство из-за низкой надежности при эксплуатации в условиях скважинной среды на забое, требующей наличие расхода управления и автоматики, обеспечивающей подачу его, также не может быть использовано.
Известно устройство для создания звуковых полей высокой интенсивности (патент RU №2041343, кл. Е21B 43) в продуктивном пласте, состоящее из двух бистабильных осцилляторов. Бистабильный осциллятор состоит из рабочей камеры, в одной из стенок которой установлено сопло, а на выходе присоединены два выходных патрубка. Через эти патрубки рабочий агент, поступая через сопло в камеру, выходит поочередно в пласт, формируя в нем волновое поле.
Недостатком этого устройства является сравнительно невысокие амплитуды колебания давления на выходе, что снижает протяженность эффективного воздействия на пласт.
Известен бистабильный осциллятор для воздействия на продуктивные нефтяные пласты низкой частотой (патент RU №2423606), состоящий из рабочей камеры, выполненной в виде параллелепипеда, образованного боковыми, верхней и нижней стенками, в передней стенке которой установлено съемное сопло, расположенное соосно с продольной осью рабочей камеры, а на выходе присоединены два выходных патрубка, причем длина одного превышает длину второго на величину, равную расстоянию, определяемому временем прохождения импульса расхода (давления) из камеры в забой скважины.
Это техническое решение осциллятора является наиболее близким по сущности заявляемого решения и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком этого устройства является малая эффективность воздействия низкой частоты на очистку призабойной зоны от кольматанта и других загрязнений вследствие огибания их волной большой протяженности.
Технической задачей, решаемой изобретением, является наряду с воздействием на пласт низкой частотой эффективная очистка призабойной зоны скважины от разного рода кольматанта и загрязнений, снижающих приемистость скважины, а также повышение отдачи продуктивного пласта за счет увеличения приемистости нагнетательной скважины.
Сущность решения поставленной технической задачи заключается в том, что в известном устройстве, предназначенном для низкочастотного воздействия на продуктивные пласты, состоящем из рабочей камеры, выполненной в виде параллелепипеда, образованного боковыми, верхней и нижней стенками, в одной из стенок которой установлено съемное сопло, расположенное соосно с продольной осью рабочей камеры в передней стенке камеры, а на выходе присоединены два выходных патрубка, причем длина одного превышает длину второго на величину, равную расстоянию, определяемому временем прохождения импульса расхода (давления) из камеры в забой скважины, для решения поставленной задачи съемное сопло включает два участка канала, начальный - входной в виде цилиндрической полости и выходной участок со ступенчатым увеличением диаметра цилиндрической полости и меньшей длиной по отношению к начальному участку канала сопла для образования и срыва вихрей высокой частоты в дополнение к основной колеблющейся с низкой частотой струе из сопла, обеспечивающих эффективную очистку призабойной зоны скважины от разного рода кольматанта и других загрязнений, снижающих приемистость скважины.
Таким образом, только полное сочетание предлагаемых конструктивных элементов устройства обеспечивает решение поставленной задачи.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию «новизны». При изучении других известных технических решений в данной области признаки, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию и существенные отличия.
Устройство изображено на фиг. 1 и 2.
Устройство состоит из рабочей камеры 1 в виде параллелепипеда, образованного боковыми 2, 3, верхней 4 и нижней 5 стенками, передней стенкой 6, в которой по оси установлено съемное сопло 7. На выходе к камере присоединены два отводящих рабочий агент выходных патрубка 8 и 9, оси выходных концов 10, 11 которых параллельны между собой, причем длина одного превышает длину второго на величину, равную расстоянию, определяемому временем прохождения импульса расхода (давления) из камеры в забой скважины. Съемное сопло 7, соосное с продольной осью рабочей камеры 1, включает два участка, начальный - входной в виде цилиндрической полости 12 и переходящий в выходной участок 13 со ступенчатым увеличением диаметра цилиндрической полости и меньшей длиной по отношению к начальному участку канала сопла для образования и срыва вихрей высокой частоты в дополнение к основной колеблющейся с низкой частотой струе в камере 1 и далее на выходе устройства. Устройство устанавливают на забое скважины 14, стыкуя рабочую камеру 1, например, с насосно-компрессорной трубой 15, по которой поступает жидкость (сжимаемая или несжимаемая) или стыкуют с выходным фланцем парогазогенератора (парогенератора). В этом случае на вход устройства поступает парогаз (пар).
Результат воздействия на призабойную зону и пласт заключается в следующем. В момент времени t=0 начинает действовать от первой струи импульс расхода (давления) на среду скважинной жидкости за устройством, в результате которого имеет место распространение в ней продольной волны давления с амплитудой, изменяющейся от нуля до максимума и обратно до нуля к моменту времени t=T (длительность импульса - периода колебаний). Со сдвигом по времени t=T на среду скважинной жидкости начинает действовать импульс расхода от второй струи с тем же периодом длительности, что приводит также к распространению в скважинной жидкости продольной волны, совпадающей по фазе с волной от первой струи. В результате наложения импульсов расхода (давления) суммарная амплитуда низкочастотных колебаний возрастает вдвое. Создаваемое волновое поле в пласте способствует повышению нефтеотдачи пласта.
В то же время при движении рабочего агента по соплу в месте ступенчатого увеличения площади сечения канала образуется рециркуляционная зона. В этой зоне зарождаются вихри, которые при увеличении скорости потока становятся интенсивнее, срываются и перемещаются по периферии основной струи, формируемой цилиндрической частью сопла, вниз по потоку. Каждый раз при срыве вихрей в области внезапного расширения образуется импульс давления, который вызывает акустическое излучение - вихревой звук.
Указанное устройство может быть реализовано следующим образом. Исходными данными являются весовой расход жидкости (например, воды) и перепад давления на сопле.
Так при подаче в пласт воды в количестве 500 т/сут секундный расход жидкости составляет G=5,8 кг/с.
2
0,5
2
При выбранном перепаде давления на сопле ΔР=40 кг/см и коэффициенте расхода через струйное сопло µ=0,62 (Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки в среды с противодавлением. - М.: Машиностроение, 1968) площадь проходного сечения начального участка сопла F, определенная из уравнения G=µF·(2ρΔP) составляет F=1,05 см. Внутренний диаметр начального цилиндрического участка струйного сопла равен d=11,6 мм.
к
э
э
э
l
2
1
2
2
2
Собственная частота колебаний жидкости в канале сопла (рассматриваемом как полуволновой резонатор) рассчитывается по зависимости f=c·n/2l, где с - скорость звука в жидкости (с=1497 м/с); n - порядковый номер гармоники колебаний (n=1); l - эффективная длина канала сопла (определяемая по зависимости l=l+0,4·(D+d)+d/D·l. l - длина начального участка канала сопла, D - диаметр выходного участка цилиндрической полости сопла, l - длина выходного участка цилиндрической полости сопла (Андреев А.В. и др. Динамика газожидкостных форсунок. - М.: Машиностроение, 1991).
l
l
l
l
Длина l выбирается из условия, обеспечивающего высокочастотное возбуждение струи жидкости на участке сопла в целом, при этом должно выполняться условие 5,6<l/d<12 (Liao Z. F., Huang D.S. Nozzle device for the self-excitedoscillation of a jet. 8 Int. Symp.Jet Cutting). При l/d=11 значение l=127,6 мм.
2
Анализ материалов исследований подобного устройства (Seiji Shimizu. Simulation of Axisymmetric Jet Issuing from a Nozzle with Collar. JSME International Journal. Series B. Vol. 38.No. l, 1995, pp. 39-44) показывает, что при числах Струхаля Sh=0,4-0,7 обеспечивается стабильная генерация колебаний давления со значительными амплитудами при значениях внутреннего радиуса выходного участка цилиндрической полости R=1,5·d/2=8,7 мм и ее длине l=1,5·d/2=8,7 мм.
В нашем случае эффективная длина канала сопла составляет
э
2
2
l=127,6+0,4(17,4+11,6)+11,6/17,4·87=143,1 мм.
к
В этом случае частота высокочастотных колебаний на выходе из соплового устройства составляет f=1497/2·0,143=5230 Гц.
к
3
Число Струхаля выражается значением Sh=f·d/u=5230·0,0116/89=0,68, где u - скорость жидкости в начальном участке цилиндрическом канале сопла (µ=G/ρµF=89 м/с при ρ=1000 кг/м).
Таким образом, полученное значение числа Струхаля соответствует диапазону величин, приведенных в исследованиях Shimizu. При этом длина высокочастотной волны акустического излучателя составит
Она соизмерима с размерами кольматанта и других загрязнений в призабойной зоне скважины, что обеспечит эффективное воздействие амплитуды акустического излучения «вихревой пелены» на их вынос (удаление) из призабойной зоны. Это даст положительный результат на увеличение приемистости скважины и, как следствие, будет способствовать лучшей фильтрации флюида к добывающим скважинам, обеспечивая в итоге увеличение их дебита по нефти.
Использование предлагаемого устройства позволит дополнительно повысить добычу извлекаемых углеводородов за счет не только увеличения амплитуды колебания давления низкой частоты основной струи на входе в пласт, но и за счет очистки призабойной зоны скважины путем непрерывного акустического воздействия «вихревой пелены» высокой частоты на эту зону скважины в ходе технологического воздействия на пласт в целом.