Акустический излучатель для обработки нефтяных и газовых скважин
ACOUSTIC RADIATOR FOR TREATMENT OF OIL AND GAS WELLS

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено для воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин с целью увеличения их производительности.
Одним из методов решения этой задачи является воздействие энергией акустического поля на продуктивный пласт. Для создания такого поля чаще всего используются два типа излучающих систем: магнитострикционного и пьезокерамического типа, основной частотный диапазон которых лежит в интервале 10-25 кГц. Каждый из указанных двух типов излучателей имеет свои достоинства и недостатки и их использование зависит от многих факторов.
Для излучателей (устройств) с магнитострикционным преобразователем наиболее часто используется стержневой тип активного элемента - магнитостриктора. Основным аргументом в пользу выбора именно стержневого типа преобразователя является возможность изготовления излучателей небольших размеров. В качестве пассивного элемента, который предназначен для передачи в обрабатываемую среду энергии упругих колебаний, создаваемых активным элементом- магнитостриктором, используют жидкость или волновод.
Известны устройства для акустического воздействия на призабойную зону продуктивных пластов по патентам:  [Патент RU № 2026970, E21B 43/25, опубликован 20.01.1995], [Патент RU № 2674165, E21B 28/00, опубликован 05.12.2018], в которых магнитострикционные преобразователи стержневого типа с электрической обмоткой на стержнях находятся в вакуумированной камере. При этом передача энергии упругих колебаний в обрабатываемую среду производится посредством приведения в колебательное движение жидкости заполняющей камеру и соответственно стенку корпуса излучателя, которая играет роль резонатора.
В некоторых случаях в качестве пассивного элемента для передачи энергии используется волновод или акустический трансформатор, в этом случае помимо передачи энергии назначение волновода - предохранять магнитостриктор от непосредственного контакта с агрессивной скважинной средой. Такая конструкция использована в работе [Патент RU № 2196217, МПК E21B 28/00, E21B 43/25, опубликован 10.01.2003].
В работе [Патент RU № 2634769, МПК E21B 43/25, E21B 28/00, опубликован 03.11.2017] также передача энергии магнитостриктора происходит посредством волновода, но в отличие от предыдущего случая магнитострикционный стержневой преобразователь находится в камере открытого типа, имея непосредственный контакт со скважинной средой.
Необходимо отметить, что у всех перечисленных устройств в качестве источника акустического излучения используются магнитострикционные преобразователи стержневого типа. При этом общим недостатком таких устройств является то, что излучающая поверхность устройства имеет небольшую площадь, а сами магнитострикционные преобразователи большую часть энергии излучают в осевом направлении и лишь небольшая часть энергии имеет радиальное направление.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности нефтеотдачи.
Техническим результатом является увеличение радиуса эффективного воздействия акустического излучателя на призабойную зону пласта за счет усиления акустической мощности магнитострикционного преобразователя, имеющего преимущественно радиальную направленность излучения, а также предотвращения коррозионного разрушения излучателя и повышения его коэффициента полезного действия.
Технический результат достигается за счет того, что акустический излучатель содержит составной корпус, состоящий из двух герметичных камер и одной камеры, сообщающейся с внешней средой посредством выполненных в нижней части составного корпуса окон. При этом в полости первой герметичной камеры (соосной с геофизической головкой), заполненной воздухом, расположены герметичные электрические вводы для подключения обмоток возбуждения магнитострикционного преобразователя. Согласно изобретению, во второй герметичной камере, заполненной электроизоляционной жидкостью, расположен акустический магнитострикционный преобразователь цилиндрической формы с электрической обмоткой. Особенностью конструктивного выполнения магнитострикционного преобразователя является то, что между цилиндрическим сердечником магнитострикционного преобразователя и его обмоткой установлены торцевые накладки из упругого материала, которые служат для равномерной укладки и обеспечения минимального зазора между обмоткой и самим цилиндрическим сердечником, а также для фиксации магнитострикционного преобразователя в герметичной камере. Герметичная камера, заполненная жидкостью и оканчивается сильфоном, который необходим для выравнивания давления в герметичной камере излучателя с внешним скважинным давлением. Заливку электроизоляционной жидкости в герметичную камеру излучателя производят через отверстие в торце сильфона, которое закрывается пробкой.
Механические колебания магнитострикционного преобразователя с цилиндрическим сердечником имеют радиальную направленность, то есть через электроизоляционную жидкость передаются на корпус излучателя, выполняющего роль резонатора, а от него в скважинную среду, в котором происходит формирование акустического поля в скважине и прискважинной зоне. Отдельные детали в корпусе излучателя изготовлены из немагнитных материалов, что позволяет минимизировать электрические потери.
Таким образом, минимизация электрических потерь, хороший отвод тепла от магнитострикционного преобразователя через электро-изоляционную жидкость к стенкам корпуса излучателя, а через неё в скважинную среду, обеспечивает стабильный тепловой режим устройства, а изоляция магнитострикционного преобразователя от агрессивной скважинной среды, позволяют повысить надежность работы и коэффициент полезного действия излучателя и, как результат, эффективность акустического воздействия на пласт.
Расчет резонансной частоты
. Кольцевые магнитострикционные преобразователи, в зависимости от расположения экрана излучают звук внутренней или наружной поверхностью. В нашем случае, излучение осуществляется во внешнею среду с равномерной азимутальной характеристикой направленности в плоскости, перпендикулярной оси Фиг.1.
Для магнитострикционного преобразователя, набранного из тонких колец и работающего на поперечном пьезоэффекте собственная частота определяется из выражения:
0
f =  ,  (1)
где  с – скорость звука в материале, из которого собран сердечник кольцевого преобразователя,   С
11
Е – модуль Юнга,     2,18*10 Па
3
3
-  плотность материала, для пермендюра    = 8,15*10 кг/м
-3
R  - средний радиус кольца,           = 42,5 10 м
Рассчитаем скорость звука в пермендюре:
4
С  =  = 0,517189 10 = 5171,89 = 5172 м/сек,
Тогда резонансная частота кольцевого магнитострикционного преобразователя:
0
f =  = 19368 Гц, принимаем 19500 Гц.
Таким образом собственная частота скважинного акустического излучателя будет:
0
f = 19500 Гц.
Также были проведены расчеты других электрических параметров согласно методикам, изложенным в [1], [2] и [3] :
[1] Голямина И. П. «Ультразвуковые преобразователи». - М.: 1972.-200с;                                        [2] Донской А. В., Келлер О. К. «Ультразвуковые электротехнологические установки».-Л.:Энергоиздат,1982.-208с.;                                                                                                                         [3] ГОСТ 27955-88 (МЭК 782-84) Преобразователи ультразвуковые магнито-
стрикционные. Методы измерения характеристик;
На Фиг. 1 приведено направление колебаний цилиндрического (кольцевого) магнитострикционного преобразователя, где R-внешний радиус сердечника; а-ширина кольца;
На Фиг.2 приведен продольный разрез скважинного акустического излучателя.
Акустический излучатель для обработки нефтяных и газовых скважин содержит составной корпус 1, состоящий из нескольких камер: двух герметичных камер 4 и 10, и одной (нижней) камеры 2, сообщающейся с внешней средой посредством выполненных в нижней части корпуса акустического излучателя окон 3. При этом в полость герметичной камеры 10 (соосной с геофизической головкой 9) и заполненной воздухом заводятся герметичные электрические вводы 11 для подключения обмоток возбуждения магнитострикционного преобразователя 7.
Согласно изобретению, в герметичной камере 4, заполненной электроизоляционной жидкостью в зоне вибрации 5 расположен магнитострикционный преобразователь 7 с сердечником цилиндрической формы с электрической обмоткой, при этом между цилиндрическим сердечником преобразователя и обмоткой установлены торцевые накладки 8 из упругого материала, которые служат для равномерной укладки и обеспечения минимального зазора между обмоткой и цилиндрическим сердечником, а также для фиксации магнитострикционного преобразователя 7.
Герметизация составных частей корпуса 1 акустического излучателя обеспечивается уплотнительными резиновыми кольцами (на фиг. не представлены), механическое крепление частей обеспечивается разъёмными резьбовыми соединениями (на фиг. не представлены).
На верхнем конце корпуса 1 излучателя над герметичной камерой 4 с магнитострикционным преобразователем 7 установлена стандартная геофизическая головка 9 для соединения скважинного акустического излучателя с питающим кабелем (на фиг. не представлен), соединенная с электрическими обмотками магнитострикционного преобразователя 7 с использованием герметичных электрических вводов 11. Камера 2, сообщающаяся со скважинной средой через окна 3 представляет собой цилиндр, оканчивающийся конусной частью. Давление во внутренней герметичной камере 4 излучателя, заполненной электроизолирующей жидкостью выравнивается со скважинным давлением посредством сильфона 6.
Устройство работает следующим образом.
От наземного генератора посредством кабеля через стандартную геофизическую головку 9 и герметичные электрические вводы 11 на электрическую обмотку кольцевого магнитострикционного преобразователя 7, расположенного в герметичной камере 4, подается переменное напряжение рабочей частоты, соответствующей резонансной частоте магнитострикционного преобразователя 7. При этом соединение контактов геофизической головки 9 с герметичными электрическими вводами 11 осуществляется посредством проводников (на фиг. не представлены), проходящих через полость герметичной камеры 10. Одновременно от того же генератора на эту же электрическую обмотку подается ток подмагничивания.
Переменный ток, проходя по обмотке сердечника кольцевого магнитострикционного преобразователя 7, создает в сердечнике переменное электромагнитное поле, вызывающее изменение размеров сердечника в виде радиальных колебаний. Эти колебания, перпендикулярные цилиндрической поверхности сердечника в виде волн сжатия – разряжения передаются в жидкость, окружающую сердечник, что в свою очередь приводит к колебаниям стенок корпуса 1 излучателя (в зоне вибрации 5) и окружающей среды. Между цилиндрическим сердечником и обмоткой магнитострикционного  преобразователя 7 установлены торцевые накладки 8 из упругого материала, которые служат для равномерной укладки электрической обмотки, обеспечения минимального зазора между обмоткой и цилиндрическим сердечником, предохранения провода обмотки от перетирания, а также для фиксации магнитострикционного преобразователя 7.
Помимо этого, электромагнитное поле электрической обмотки кольцевого магнитострикционного преобразователя 7 наводит вихревые токи в стенках корпуса 1 излучателя в зоне вибрации 5, которые при этом разогреваются. Скважинная среда, контактирующая с металлическим корпусом 1 излучателя в зоне вибрации 5 прогревается за счет теплопроводности. Таким образом при работе скважинного акустического излучателя происходит одновременное волновое и локальное тепловое воздействие на скважинную среду достаточной мощности, что особенно актуально при работе на скважинах с высоковязкой нефтью.                   Выравнивание давления герметичной камеры 4, заполненной электроизоляционной жидкостью с внешним скважинным давлением происходит за счет сильфона 6, расположенного в камере 2, сообщающейся со скважинной средой через окна 3.
Применение данного устройства при небольших энергетических затратах позволяет проводить эффективное термоакустическое воздействие на призабойную зону скважины с целью увеличения ее дебита за счёт очистки перфорационных отверстий скважинной арматуры и пор коллектора от механических примесей, газогидратных и асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО). Изобретение позволяет повысить эффективность нефтеотдачи, особенно при добыче высоковязкой нефти.