СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ НА ЗАБОЕ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКОЙ РЕЗОНАНСНОГО РЕЖИМА ГЕНЕРАЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR GENERATING WAVE FIELD AT INJECTOR BOTTOMHOLE WITH AUTOMATIC TUNING OF GENERATION RESONANT MODE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для увеличения подвижности пластовых флюидов.
Известен способ генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины (см. патент №2399746), при котором формируют колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорным трубам (НКТ), прокачивая жидкость через струйный резонатор.
Капли нефти и воды - флюиды, заполняющие капилляры продуктивного нефтяного пласта, обладают малой подвижностью вследствие ряда причин. Их перемещение по пласту к добывающей скважине ускоряют, пробуривая вокруг несколько нагнетательных скважин, по которым под большим давлением закачивают в продуктивный пласт различные технические жидкости. Нефтяниками давно замечено, что закачивание технических жидкостей в пласт толчками способствует лучшему выходу флюидов через добывающую скважину. Для генерации колебаний давления в потоке закачиваемой жидкости используют специальное устройство - струйный резонатор, преобразующее кинетическую энергию потока в колебательную энергию.
По нагнетательным скважинам в продуктивный пласт подают жидкость: воду, воздух, пар, химреагенты. В скважины вставляют насосно-компрессорные трубы (НКТ), на нижнем конце которых монтируют струйный резонатор. Подаваемую в продуктивный пласт жидкость прокачивают через струйный резонатор, которым возбуждают в потоке колебания давления. Эти колебания давления распространяются во все стороны в виде акустических волн, формируя на забое скважины волновое поле (см. патент №2122109).
Также известен способ генерирования колебаний давления в потоке протекающей жидкости, реализованный в струйном резонаторе (см. патент №2077960) путем прокачивания жидкости через струйный резонатор с соплом и выходным отверстием с острыми кромками, объем которого согласован со скоростью струи на срезе питающего сопла.
Закачиваемую в скважину жидкость подают на вход питающего сопла и формируют струю, направленную на острую кромку выходного отверстия. При этом в прилегающей к острой кромке области формируются локальные возмущения давления, называемые тоном отверстия, амплитуда которых невелика. Если же скорость струи подобрана таким образом, что частота тона отверстия совпадает с собственной частотой камеры струйного резонатора, то наступает резонанс, и амплитуда колебаний тона отверстия многократно возрастает.
Недостатком данного способа является невысокий коэффициент усиления кольцевого резонатора.
Известен способ генерирования колебаний давления в потоке протекающей жидкости, реализованный в струйном резонаторе Гельмгольца (см. статью Morel Th. Экспериментальное исследование осциллятора Гельмгольца, управляемого струей. Перевод ВЦП №В-56251 из J.Fluid Engineering, 1979, 101, IX, №3, 383-390), при котором формируют колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорным трубам (НКТ), путем ее прокачивания через струйный резонатор Гельмгольца (СРГ), и при этом поддерживают в соответствии скорость потока на срезе питающего сопла и объем (СРГ).
Поскольку проходная площадь сопла постоянна, то скорость струи на срезе сопла определяется величиной перепада давления на устройстве и задается расходом прокачиваемой жидкости. Больше расход жидкости - больше и скорость струи и наоборот. При изменении скорости струи, натекающей на острые кромки выпускного отверстия, изменяется и частота тона отверстия, несмотря на то что резонатор настроен на определенную частоту. При отклонении частоты тона отверстия от частоты собственных колебаний резонатора амплитуда генерации уменьшается.
Недостатком данного способа является узкий рабочий диапазон изменения скорости струи.
Известен струйный резонатор Гельмгольца, ближайший по технической сущности и взятый за прототип (см. Experimental Study of a Jet-Driven Helmholtz Oscillator, J. Fluids Eng., September 1979, Volume 101, Issue 3, p.383, doi:10.1115/1.3448983, Перевод ВЦП №В-56251 из J.Fluid Engineering, 1979, 101, IX, №3, 383-390), представляющий собой полое тело вращения, включающее: обечайку, закрепленную между двумя днищами; входное сопло, установленное в переднем, по направлению потока, днище; и соосный с соплом выходной канал с острыми кромками, организованный в противоположном, выходном днище.
Струйный резонатор Гельмгольца (СРГ) представляет собой два плоских параллельных днища, между которыми зажата обечайка. Обычно обечайку выполняют цилиндрической формы, но бывают обечайки квадратного сечения. При этом во входном плоском днище организовано круглое входное сопло, которое может выступать внутрь камеры, а в противоположном, выходном плоском днище организован круглый выходной канал с острыми кромками. Выходной канал представляет собой втулку с острыми краями, установленную в днище генератора, или просто отверстие. Втулка также может выступать внутрь камеры. Сопло и выходной канал выполняются соосными по отношению друг к другу и располагаются на оси цилиндрической обечайки.
В струйном резонаторе формируются локальные возмущения давления в области острой кромки выходного отверстия. Столб жидкости, заключенный в резонаторе, отвечает за преобразование частотного спектра распространяющейся в нем акустической волны, с усилением гармоники, соответствующей частоте собственных колебаний столба. Но без отражения падающих волн работа резонатора прекратится. Из этого следует, что усиление волн в цилиндре происходит только в направлении вдоль потока, между торцевыми параллельными днищами. При распространении в поперечном направлении, при отражении от цилиндрической обечайки, волны рассеиваются.
Струя жидкости, сформированная в питающем сопле, при вытекании из резонатора задевает своей периферией острые кромки выпускного отверстия. При этом генерируются локальные возмущения давления, распространяющиеся во все стороны в виде акустической волны. Это так называемый тон отверстия. Амплитуда локальных возмущений давления невелика, но если их частота совпадает с частотой собственных колебаний резонатора, то наступает резонанс, и амплитуда увеличивается на порядки.
Собственная частота цилиндрического резонатора определяется расстоянием между днищами и в меньшей степени зависит от его диаметра. Если расстояние между днищами L неизменно, то скорость струи должна быть строго определенной, иначе резонанс невозможен. Еще необходимо отметить, что полоса усиления акустических резонаторов гораздо шире, чем, например, у пьезокерамики, имеющей, в то же время, существенно больший коэффициент усиления. Из этого следует, что существует некоторый интервал величины скорости потока, определяемый добротностью резонатора, внутри которого наступает резонанс. Наибольшее усиление амплитуды тона отверстия происходит на частоте собственных колебаний резонатора, но при отклонении скорости струи на допустимую величину амплитуда колебаний все равно увеличивается, правда, с меньшим коэффициентом усиления.
Недостатком струйного резонатора Гельмгольца (СРГ), взятого за прототип, является невозможность регулировки частоты его собственных колебаний и подстройки резонансного режима при изменении перепада давления на устройстве.
Технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с автоматической настройкой резонансного режима генерации, при котором формируют колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорным трубам (НКТ), путем ее прокачивания через струйный генератор Гельмгольца (СРГ), и при этом поддерживают в соответствии скорость струи на срезе питающего сопла и объем СРГ, поддерживают в соответствии скорость струи на срезе питающего сопла и объем СРГ за счет перемещения его заднего, в направлении по потоку, днища, обеспечивая увеличение объема СРГ при уменьшении скорости струи и уменьшение объема СРГ при увеличении скорости струи.
В устройстве, состоящем из струйного резонатора Гельмгольца (СРГ), установленного внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) и представляющего собой полую цилиндрическую камеру с плоскими днищами, в переднем днище которой размещено сопло питания, а в заднем днище выполнено выходное отверстие с острыми кромками, заднее днище выполнено подвижным, а внутри НКТ, за СРГ, установлен неподвижно гидроцилиндр с подпружиненным поршнем, соединенным штоком с подвижным задним днищем, причем полость внутри гидроцилиндра перед поршнем, в направлении по потоку, соединена с внутренним объемом НКТ, а полость за поршнем сообщена с затрубным пространством.
Предложенный способ позволяет поддерживать стабильно высокую интенсивность волнового поля на забое нагнетающей скважины за счет согласования режимных параметров и конструктивных размеров струйного резонатора, при генерации колебаний давления в потоке протекающей жидкости, и обеспечения максимального коэффициента усиления.
На фиг.1 представлена схема струйного резонатора с автоматической настройкой и гидроприводом.
На фиг.2 представлена амплитудно-частотная характеристика акустического резонатора.
Сущность изобретения состоит в следующем.
В отечественной технической литературе это комбинированное устройство называют по имени той его части, которая больше привлекает внимание автора. Струйный генератор или же струйный резонатор. Хотя, если говорить о резонаторе, то резонатор, все-таки, акустический, а никак не струйный. Эта же ошибка сделана и в переводе статьи Т.Мореля, из которой взят прототип. В иностранной технической литературе это устройство именуют осциллятором, но в русском языке понятие осциллятор чаще употребляется в электронике.
Не следует забывать, что резонирует не корпус резонатора, а столб жидкости, заключенный внутри, хотя корпус, конечно, тоже звучит, но его частота собственных колебаний, обычно, существенно ниже. Резонатор пассивен, он лишь откликается, т.е. усиливает колебания давления, созданные каким-то другим устройством, поскольку заключенный в нем столб жидкости почти неподвижен. Генератор активен, он сам создает колебания давления, поскольку в его составе имеется высокоскоростная струя, располагающая запасом кинетической энергии.
Обычно габаритные размеры СРГ неизменны. Максимальное усиление резонатором тона отверстия достигается на строго определенной скорости потока, замеренной на срезе сопла. Однако увеличение расхода жидкости приводит к увеличению скорости струи, и частота тона отверстия также возрастает при этом, а при уменьшении скорости струи - уменьшается.
Для согласования скорости струи с объемом резонатора предлагается перемещать днище резонатора для изменения частоты собственных колебаний резонатора в соответствии с изменением скорости струи: при увеличении скорости струи следует уменьшать расстояние между днищами, а при уменьшении скорости струи - увеличивать. При увеличении скорости струи увеличивается частота тона отверстия, и для обеспечения максимального усиления следует частоту собственных колебаний резонатора также увеличить (см. фиг.2), для чего следует уменьшить характерный размер резонатора. И наоборот: при уменьшении скорости струи также уменьшается частота тона отверстия, и следует уменьшать частоту собственных колебаний резонатора, т.е. увеличивать характерный размер резонатора.
Для автоматической настройки резонатора в НКТ за резонатором (по направлению потока) устанавливают гидроцилиндр с поршнем, соединенным штоком с задним днищем резонатора. Поршень разделяет гидроцилиндр на две камеры, задняя сообщается с затрубным пространством, а передняя соединена с внутренним объемом НКТ.
При расчетном расходе жидкости и перепаде давления на резонаторе поршень занимает положение в середине цилиндра. При увеличении давления в НКТ за резонатором перепад давления на резонаторе уменьшается, и скорость струи также уменьшается. Увеличение давления в НКТ за резонатором приведет к увеличению давления в передней камере гидроцилиндра перед поршнем и заставит поршень переместиться в сторону меньшего давления и потянуть за собой днище резонатора. Увеличение давления в НКТ за резонатором перемещает поршень гидроцилиндра и заднее днище резонатора для увеличения расстояния между днищами. Это приводит к увеличению частоты собственных колебаний резонатора и настраивает резонанс на частоте тона отверстия.
Можно установить гидроцилиндры с обеих сторон СРГ. При увеличении давления перед СРГ и скорости струи поршень переднего гидроцилиндра должен перемещать переднее днище по потоку для уменьшения объема СРГ и увеличения частоты собственных колебаний, а при уменьшении давления перед СРГ перемещать переднее днище против потока для увеличения объема СРГ и уменьшения частоты собственных колебаний. Задний гидроцилиндр должен также раздвигать днища при уменьшении перепада давления на устройстве и сдвигать днища при увеличении перепада. Установка гидроцилиндров с обеих сторон СРГ позволит автоматически отслеживать все возможные комбинации изменения давления в НКТ как до, так и за СРГ.
Устройство, предназначенное для возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины, включает в себя СРГ и гидропривод, размещенные внутри НКТ. СРГ представляет собой полую камеру, состоящую из цилиндрической обечайки 1 (см. фиг.1) с плоскими днищами на обоих торцах. В переднем (по направлению потока) днище 2 установлено сопло 3, представляющее собой втулку с закругленными краями на входе. В заднем днище 4 выполнено отверстие 5 с острыми входными кромками. За СРГ установлен гидроцилиндр 7 с поршнем, который соединен штангой 6 с кронштейном на внешней стороне заднего днища СРГ. Само заднее днище по форме также представляет собой поршень вследствие наличия длинной цилиндрической стенки, т.н. “ юбки”, предназначенной для предотвращения перекоса днища при его перемещении. Подвижное днище центрируется в цилиндрической обечайке резонатора при помощи “юбки” с уплотнительным кольцом. Если оба днища выполнены подвижными, то они оба представляют собой тот же поршень, закрепленный на штоке.
За струйным резонатором внутри НКТ установлен неподвижно гидроцилиндр с поршнем и двумя окнами. Поршень разделяет внутренний объем гидроцилиндра на две части: ближняя к СРГ часть внутреннего объема гидроцилиндра соединена А с внутренним объемом НКТ, а дальняя от струйного резонатора часть внутреннего объема гидроцилиндра сообщается В с затрубным пространством. Если в НКТ установлено два гидроцилиндра с обеих сторон струйного резонатора для перемещения обоих днищ резонатора, то логика остается прежней - при увеличении перепада давления на сопле днища сближают, а при уменьшении перепада давления днища раздвигают.
Работает СРГ с автоматической настройкой следующим образом. Жидкость подается под определенным давлением по НКТ на забой скважины, где в трубе установлен СРГ. Жидкость поступает в СРГ через сопло питания и вытекает из него через выпускное отверстие в заднем днище. При этом формируется струя с определенной скоростью, которая далее задевает своей периферией острую кромку отверстия, и, вследствие этого, в прикромочной области формируются локальные возмущения давления малой амплитуды, которые распространяются вокруг в виде акустической волны определенной частоты.
Поскольку частота распространяющейся в резонаторе акустической волны соответствует частоте собственных колебаний столба жидкости, заключенной внутри резонатора, то амплитуда колебаний давления в потоке жидкости многократно увеличивается. Далее жидкость через перфорацию в НКТ подается в продуктивный пласт и заставляет колебаться флюиды в поровом пространстве.
При увеличении величины противодавления за СРГ перепад давления на устройстве уменьшится, что приведет к уменьшению скорости струи и уменьшению частоты тона отверстия. При этом увеличение давления внутри НКТ за СРГ заставит переместиться поршень заднего гидроцилиндра дальше от СРГ и потащить за собой заднее днище СРГ, что приведет к увеличению объема резонатора и, соответственно, уменьшению частоты его собственных колебаний. СРГ станет снова работать в согласованном режиме с максимальным коэффициентом усиления.
При уменьшении величины противодавления за СРГ все произойдет наоборот: скорость струи увеличится, частота тона отверстия тоже увеличится, но уменьшение давления за СРГ заставит перемещаться поршень гидроцилиндра в сторону резонатора и сближать заднее днище с передним. Это приведет к увеличению частоты собственных колебаний столба жидкости в резонаторе и настроит его работу с максимальным коэффициентом усиления на большей частоте.