КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
OIL PRODUCTION COMPLEX

Изобретение относится к области добычи нефти с коэффициентом нефтеотдачи 0,9-0,95 и более, вместо 0,5 для легких и 0,15 - вязких нефтей. /см. И.В.Элияшевский "Технология добычи нефти и газа", М.: "Недра", 1985 г., стр.122 /1/.
Известны методы добычи нефти путем закачки в пласт воды с добавкой поверхностно-активных веществ /ПАВ/, а также тепловые и смешивающимися с ней жидкостями и газами /см. 1, стр.165-168/, а также В.В.Алексеев "Экология и экономика энергетики", Физика, Знание, М., 6/90 г., стр.25-26 /2/.
Известно также ультразвуковое воздействие на нефтяной пласт, который испытывался в Астраханском регионе. К недостаткам первого метода добычи нефти относится то, что в недрах остается больше половины разведанных геологических запасов нефти, а при добыче вязких нефтей - до 85%.
Ультразвуковая обработка нефтяного пласта осуществляется с помощью инструмента, помещенного в скважину вместе с магнитострикционным преобразователем и электрическим генератором, а электроснабжение генератора выполнено кабелем, проходящим через обсадную трубу к источнику питания.
2
При работе ультразвукового инструмента вокруг скважины создается ультразвуковое поле, волны которого создают в горной породе с нефтью, периодически следующие друг за другом звуковые давления и деформацию среды. При большой интенсивности I>10 Вт/см в жидкости возникают области с развитой кавитацией и акустическими течениями. Жидкость в этом поле начинает кипеть с резким падением сил трения как внутри жидкости, так и о стенки поровых каналов. При этом нефть в виде эмульсии жидкости в газах интенсивно поступает через отверстия в обсадную трубу.
Однако главным недостатком ультразвуковой технологии является то, что при высоких частотах происходит также интенсивное поглощение энергии ультразвуковых волн в нефтяном пласте, а зона воздействия на пласт не достигает и нескольких метров. В объеме залежи с нефтью дополнительный приток ее незначителен, а коэффициент нефтеотдачи практически остается на уровне равным 0,5. Вместе с тем ультразвуковая технология добычи нефти является наиболее близкой к заявляемой инфразвуковой технологии, т.е. аналогом-прототипом /см. Б.А.Артамонов "Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов", т.1, М.: "Высшая школа", 1983 г., стр.174-186 /3/.
Целью изобретения является осуществление генерации в нефтяном пласте инфразвуковых волн с высокой интенсивностью, образованием кавитации и акустических течений и полным вытеснением нефти из поровых каналов залежи.
Поставленная цель достигается в изобретении за счет того, что он снабжен волновым детонационным или волновым электрическим компрессором на нагнетательных скважинах и скважинах-волноводах, с цилиндрами и рубашками охлаждения, равномерно размещенными по окружности, с одной стороны переходящими в сопло-концентратор ударных волн и энергии расширяющихся продуктов детонационных или электрических взрывов, переходящие в импульсы давления и упругие волны в нефтяном пласте, а с другой - в крышках размещены впускные клапаны сжатого воздуха с пружинами и ограничителями, цилиндры снабжены комбинированными форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыскивания смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, и смежно расположенными к ним форсунками-детонаторами для впрыскивания струй электропроводной жидкости, при этом комбинированные форсунки снабжены топливными форсунками или форсунками для впрыскивания воды и патрубками, внутри которых установлены шнеки, электродами, размещенными в цилиндрических каналах, выполненных из электроизоляционного материала, сообщающиеся с соплами, направленными под углом друг к другу, при этом сопло компрессора снабжено форсункой для впрыскивания воды.
Кроме того, поставленная цель в изобретении достигается за счет того, что комбинированные форсунки снабжены взрывными камерами. Поставленная цель в изобретении достигается еще и за счет того, что обсадные трубы нагнетательных скважин снабжены соплами-концентраторами импульсов давления в парогазовой смеси или воде в упругие волны в нефтяном пласте, при этом сопло волнового компрессора направлено по оси возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре и расположено с заданным зазором от его торца в слое воды емкости. Кроме того, поставленная цель в изобретении достигается за счет того, что форсунки-детонаторы с размещенными в них цилиндрическими каналами, выполненными из электроизоляционного материала, с одной стороны содержат электроды, а с другой - сопла, направленные под углом друг к другу, для впрыскивания струй электропроводной жидкости.
Поставленная цель в изобретении достигается еще и за счет того, что комплекс дополнительно является источником парогазовой смеси с избыточным давлением, подключенным к газовой турбине электростанции с воздушным компрессором и электрогенератором. Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта - осуществления генерации в нефтяном пласте инфразвуковых волн с высокой интенсивностью, образованию кавитации и акустических течений и полным вытеснением нефти из поровых каналов залежи.
Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения - "изобретательский уровень".
Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели. Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения - "промышленная применимость".
Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 показан продольный разрез по комплексу, на котором приведены нагнетательная скважина с волновым компрессором, скважина-волновод с компрессором и добывающая скважина;
на фиг.2 показана комбинированная форсунка в поперечном разрезе;
на фиг.3 показана форсунка-детонатор в поперечном разрезе;
на фиг.4 приведен поперечный разрез по нагнетательной скважине с емкостью с водой /паровым котлом/ и установленным на ней волновым детонационном компрессором;
на фиг.5 приведен в поперечном сечении узел «Q»;
на фиг.6 приведен в поперечном сечении узел «N»;
на фиг.7 приведен план расположения скважин на залеже с нефтью;
на фиг.8 показан поперечный разрез по цилиндру волнового компрессора;
на фиг.9 приведен разрез по 1-1, а на фиг.10 показан разрез по 2-2 - поперечный разрез по волновому детонационному компрессору или электрическому.
Комплекс для добычи нефти состоит:
из нагнетательных скважин с обсадными трубами 1, размещенных в обсадных трубах 2, скважин-волноводов с обсадными трубами 3 и добывающих скважин 4. Сверху на нагнетательных скважинах укреплены волновые детонационные или волновые электрические компрессоры 5 с патрубками для подачи сжатого воздуха 6 и подачи под давлением воды 7. На поверхности установлена силовая установка 8 с поршневым/и/ компрессором 9 и электрогенератором 10.
Скважины-волноводы снабжены также волновыми компрессорами 11 с патрубками 12 и 13 для нагнетания сжатого воздуха и подачи воды под давлением - 14, 15. Добывающая скважина 4.
На фиг.4 показано размещение на залеже с нефтью перечисленных выше скважин. При этом в отличии от известного способа нагнетания в залежь воды с ПАВ /или без него/, нагнетательные скважины располагают по контуру нефтености и внутри него.
Добыча нефти осуществляется по двум вариантам.
1-ый вариант.
Волновые детонационные компрессоры 5 и 11 работают с применением сжатого воздуха большего /высокого/ давления от поршневых компрессоров 9, с нагнетанием в обсадную трубу 1 парогазовой смеси, которая поступает в нефтяной пласт через сопла 16 /см. фиг.6/. Сопла 16 - концентраторы ударных волн в обсадных трубах 1 размещаются или по всей наружной поверхности трубы и на всю высоту нефтяного пласта, поз.17, или только на части этой поверхности - поз.1. Нефтяной пласт 18.
2
Волновые детонационные компрессоры 5 и 19 /см. фиг.4/ одинаковы по конструкции и отличаются друг от друга, при установке их или на обсадную трубу 1, или на емкость 20 только соплами 21 и 22, а также тем, что первый работает при высоком давлении сжатого воздуха, а второй - при давлениях 5-6 и до 25 кг/см, с подачей сжатого воздуха от центробежного или осевого компрессора.
Волновые компрессоры состоят из цилиндров 23 /фиг.4 и 10/, равномерно размещенных по окружности с крышками 24 и соплами 21, 22.
На фиг.8 показан один цилиндр 23 компрессоров с крышкой 24, в которой размещен клапан 25 с пружиной 26 и ограничителем 27.
Цилиндры и крышки выполняются с рубашками 28 и 29 и каналами для циркуляции охлаждающей жидкости.
В цилиндре с одной стороны установлены комбинированные форсунки 30, а с другой - форсунки-детонаторы 31. Каждая из пары этих форсунок размещена в зонах сгорания 32, 33, 34, 35. Каждый цилиндр содержит сопло 36 - концентратор ударных волн и общий фланец 37, с помощью которого волновые компрессоры соединены с соплами 21 и 22.
Комбинированная форсунка. Показана на фиг.2. Она состоит: из корпуса 38, в котором размещен второй корпус 39 из электроизоляционного материала. В нем расположены каналы 40 /размещенные друг от друга на равном расстоянии/.
Каналы 40 с одной стороны имеют сопла 41, а с другой - электроды 42. Электроды соединены с генератором электрических импульсов, принципиальная схема которого включает: источник постоянного тока 43, конденсатор 44 и разрядник 45. Сопла 41 наклонены /расположены/ под углом друг к другу, с помощью которых во взрывную камеру 46 с соплом 47 впрыскиваются струи 48 электропроводной жидкости, пересекающиеся в зоне 49 с образованием электрического контакта. В центре расположена дополнительная форсунка 50 для впрыскивания топлива /или воды/ в виде струй 51. Форсунка имеет фланец 52 для крепления ее на цилиндре 23 и патрубки 53 со шнеками 54.
Форсунка-детонатор. Показана на фиг.3.
Она состоит из наружного корпуса 55 с патрубками 56 и фланцем 57. Внутри него размещен второй корпус 58, выполненный из электроизоляционного материала, в котором размещены каналы 59, с одной стороны имеющие сопла 60, выполненные под углом друг к другу, а с другой - размещены электроды 61, подключенные к генератору электрических импульсов /ГИ/, принципиальная схема которого включает источник постоянного тока 62, конденсатор 63 и разрядник 64. Внутри патрубков 56 установлены шнеки 54, разделенные от металлического патрубка 56 слоем электроизоляции, из которой выполнен корпус 58. Струи электропроводной жидкости 65, зона их контакта 66.
Добыча нефти с высоким коэффициентом нефтеотдачи осуществляется следующим образом:
из системы подачи под давлением, например, жидкого топлива и системы подачи электропроводной жидкости /не показанные на чертеже/ топливо и жидкость поступают в форсунки 30 цилиндров 23 и через патрубки 53 в каналы 40. Опережая подачу топлива, электропроводная жидкость в виде струй 48 вытекает во взрывную камеру 46, которые сталкиваются в зоне контакта 49 и замыкают разрядный контур генератора электрических импульсов /ГИ/. Разрядный ток из конденсатора 44 через электроды 42, электропроводную жидкость в каналах 40, струи 48 нагревает последние, которые мгновенно испаряются и при температуре электрического взрыва струй, превышающей Т>2500°С, диссоциируют с образованием продуктов термического разложения, в виде газообразных водорода, кислорода и осколков электролита. В качестве электропроводных жидкостей используются водные растворы сильных электролитов на основе кислот, оснований и солей, или их смеси. Концентрация растворов подбирается экспериментальным путем. Однако для регулирования проводимости /электропроводности/ растворов и их резкого, на несколько порядков повышения этого показателя, в раствор вводятся порошки металлов: железа, меди, алюминия и пр.
Физика процесса повышения электропроводности состоит в том, что струи 48, несущие частицы металла, становятся неоднородными. Между взвешенными в жидкости порошинками образуются перемычки из раствора с малой удельной электропроводностью, тогда как порошинки металла имеют значительно более высокую уд. электропроводность. Регулируя концентрацию порошка в растворе, добиваемся того или иного значения электропроводности струй 48.
Размеры частиц порошка -до 30-40 мкм /желательно до 5-10 мкм/, взвесь которых в воде концентрированного раствора электролита не расслаивается в течение длительного времени /см. Г.А.Либенсон "Основы порошковой металлургии, М.: Металлургия, 1987 г., стр.164 /4/, а также Б.А.Артамонов "Размерная электрическая обработка металлов", М.: Высшая школа, 1978 г., стр.213-231 /5/, Г.Мучник "Новые методы преобразования энергии", Техника, Знание, 1984/4, стр.47-48 /6/ и источник 7, стр.100-103, "Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов, т.2, М.: Высшая школа, Б.А.Артамонов/. За счет высокой температуры электрического взрыва струи 48 струи топлива 51 мгновенно испаряются, с термическим разложением их на более мелкие молекулы, и под давлением /за счет испарения струи 48 и 51/ выходят из сопла 47 в первую зону сгорания - 32 цилиндров 23 волнового детонационного компрессора 5 /см. фиг.1/, вместе с продуктами диссоциации /разложения/ струй 48 электропроводной жидкости. Иными словами, из сопел 47 форсунок 30 в зоны сгорания цилиндров выходят струи газообразного топлива /здесь продукты диссоциации водного раствора сильного электролита в виде струй 48 также являются прекрасным топливом/. В качестве топлива используется нефть разрабатываемого месторождения. Смешиваясь с воздухом в зоне 32, образуется рабочая смесь, которая воспламеняется за счет сжатия ее ударной волной, при включении форсунок-детонаторов 31 в первой зоне сгорания.
Расчеты показывают, что при скорости ударной волны около 1700 м/с в рабочей смеси температура достигает примерно 1700 К. Такие температуры значительно превосходят температуру воспламенения взрывчатых газовых смесей, какой является образовавшееся в зоне сгорания рабочая смесь. /см. С.С.Бартенев "Детонационные покрытия в машиностроении", "Машиностроение", Л., 1982 г., стр.26 /8/.
Работает форсунка-детонатор следующим образом:
2
2
экв
экв
экв
Электропроводная жидкость насосом /не показанным на чертеже/ подается через патрубки 56, обтекая шнек 64 в каналы 59, и через сопла 60 выходит в виде струй 65 в зону контакта 66. При этом замыкается цепь разрядного контура генератора электрических импульсов /ГИ/. Разрядный ток мощностью Р=I·R /см. 7, стр.94-95/ от конденсатора 63 ГИ через электроды 61, столб электропроводной жидкости в каналах 59 и струи 65, мгновенно нагревает струи, которые мгновенно испаряются и диссоциируют на водород, кислород и осколки электролита с образованием ударной волны. При большом эквивалентном сопротивлении R разряд апериодический, а при малом сопротивлении // - затухающий периодический с периодом Т. Последний вид разряда обеспечивает наиболее быстрое нарастание силы тока I, а также мгновенной мощности Р=I·R в струях 85. Сложные молекулы нефти при термическом разложении струй 51 в комбинированной форсунке 30, при электрическом взрыве струй 48, разлетаются на более мелкие в виде продуктов высокотемпературного пиролиза, с образованием высокооктанового бензина, лигроина, керосина, солярки, битума, масел, парафина и пр.
При этом рабочая смесь воздуха и продуктов термического разложения нефти /тоже происходит и при термическом разложении угля - вообще всех видов и разновидностей твердых порошкообразных углеводородов взвешенных в струях 51 или 48/ реагирует с огромными скоростями без задержки воспламенения со скоростью 2000-3500 м/с и более. Формируется детонационная волна, которая является комбинацией ударной волны и зоны химической реакции с протеканием детонационного сгорания рабочей смеси, в зоне 32. Образовавшаяся ударная волна распространяется в стороны сопла 36 и крышки 24, от которой она отражается, догоняет первую ударную волну в сопле 36 и усиливает ее /за счет высокой температуры газовоздушной среды в цилиндрах 23/. Вместе с тем продукты детонационного сгорания также расширяются в обе стороны, сжимают воздух в зонах 33-35 цилиндров 23 и соплах 36.
При этом последовательно друг за другом включаются форсунки 30 в зонах 33-35 и форсунки-детонаторы 31, с образованием мощного детонационного взрыва рабочей смеси и мощной ударной волны. Частота рабочих циклов /всех взрывов в зонах 32-35-один рабочий цикл/ поддерживается на уровне частоты инфразвука /0,001-16 Гц/ для генерации с такой же частотой упругих волн 67 в нефтяном пласте 18.
Работа волнового детонационного компрессора 5 на обсадной трубе 1 нагнетательной скважины приводит к ее заполнению продуктами сгорания и паров воды, которая через форсунку 7 под давлением подается в сопло 21, где она смешивается с нагретыми газами, испаряется и поступает в трубу 1.
2
По мере роста давления парогазовой смеси в обсадной трубе 1 она начинает поступать в нефтяной пласт 18 через сопла 16, которые выполнены в утолщенной части трубы 1. Вместе с нагнетанием в пласт парогазовой смеси, которая хорошо вытесняет нефть /см. 1, стр.168/, в пласте с нефтью за счет импульсного высокого давления парогазовой смеси в обсадной трубе 1, генерируются упругие волны большой интенсивности - больше 10 Вт/см /см. 3, стр.181/.
2
Причем с глубиной интенсивность должна повышаться. Поэтому на глубине нефтяного пласта, например, 2000-6500 метров интенсивность увеличивается в 200-650 раз. При интенсивности I >0,1-0,3 Вт/см и атмосферном давлении в жидкой среде образуются ряд эффектов, главными из которых являются кавитация и акустические течения /см. 3, стр.185-186/.
Жидкость-нефть начинает кипеть в поровых каналах нефтяного пласта 18, с резким снижением сил трения как внутри жидкости, так и о стенки поровых каналов. Эти силы зависят от вязкости нефти, а также от проницаемости породы. /см. 1, стр.119/. Кавитация в нефти разрушает также капиллярные силы, проявляющиеся на границе нефти и воды, а акустические течения в пограничном вязком слое на границе твердое тело - жидкость разрушают связи прилипания, вычищая поровые каналы от нефти. /см. 3, стр.186/.
2
Высокие давления детонационного сгорания в компрессоре 5, через столб парогазовой смеси в обсадной трубе 1 и сопла 16, создают ударное воздействие на нефтяной пласт, с распространением в нем упругих волн 67 большой интенсивности, превышающей I=0,1-0,3/×200-650/=25-60/ и до 60-200 Вт/см, при которых нефть кипит в поровых каналах залежи на всем протяжении от нагнетательных скважин 1 до добывающих 4. Одновременно нефть вытесняется из поровых каналов давлением парогазовой смеси.
-9
1
Из физики известно, что только низкие акустические частоты способны переносить на большие расстояния энергию с высокой интенсивностью и в этом состоит коренное отличие упругих волн с низкой частотой от упругих волн с высокой частотой - ультразвуковой - f>20000 Гц. Например, поглощение энергии инфразвука при частоте f=0,1 Гц составляет менее 2×10дБ/км, а при частоте f=1000 Гц достигает только 6 дБ/км /см. Е.Е.Новогрудский и др. "Инфразвук: враг или друг", "Машиностроение", стр.3-65 /9/.
В нашем примере частота инфразвука поддерживается на уровне f=10-16 Гц и может быть как меньше, так и больше.
Поэтому при работе компрессора 5 упругие волны пронизывают нефтяной пласт не только до первой добывающей скважины, но и распространяются дальше, на большое расстояние. Распространение инфразвука большой интенсивности в нефтяном пласте зависит от мощности волнового детонационного компрессора 5, который в настоящее время может достигать огромных значений. Она изменяется в зависимости от размеров волнового детонационного компрессора 5, мощности силовой установки 8, компрессора 9 и электрогенератора 10, а также от энергетических характеристик применяемого топлива и окислителей.
Например, с применением углеводородных топлив и окислителей современных межпланетных ракет, типа - кислорода, озона, хлора, фтора, мощность волновых детонационных компрессоров может достигать более миллиона киловатт /см. "Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей" под редакцией проф. В.М.Кудрявцева, М.: Высшая школа, 1983 г., стр.112 /10/.
2
3
Итак. После первого рабочего цикла в волновом компрессоре парогазовая смесь, поступившая в обсадную трубу 1, за счет расширения начинает заполнять цилиндры 23 компрессора 5, однако за счет более высокого давления сжатого воздуха, поступающего по патрубку 6, парогазовая смесь снова вытесняется из цилиндров в обсадную трубу 1, а цилиндры вновь заполняются свежим зарядом воздуха. Включаются комбинированные форсунки 30 и форсунки-детонаторы 31 и рабочие циклы с частотой 10-16 Гц осуществляются в течение всего времени. В этом компрессоре источником сжатого воздуха являются поршневые компрессоры, при конечных давлениях выше 100 кг/см и всасываемых объемах не выше 400 м/мин /см. К.И.Страхович "Компрессорные машины", М.: 1961 г., стр.6-7 /11/.
Работа поршневого компрессора и электрогенератора осуществляется от силовой установки 8, которая может быть как установка, работающая на местном топливе-нефти или продуктах ее перегонки в виде дизельного ДВС большой мощности - 10000 кВт и более, или газотурбинной установки - ГТУ.
Однако для снижения расхода топлива на ДВС или ГТУ последняя может работать на парогазовой смеси, нагнетаемой компрессором 5 в трубу 1. Этот второй вариант ГТУ срабатывает часть парогазовой смеси, которая поступает в ГТУ из патрубка 68 в трубе 1 и обратный клапан 69. /клапан 25 компрессора закрывается под давлением продуктов детонационного сгорания в цилиндрах 23, и открывается вновь под давлением сжатого воздуха, поступающего от поршневого компрессора 9 по патрубку 6/.
Использование парогазовой смеси компрессора 5 позволяет существенно снизить расход топлива, примерно в два раза, по сравнению с ГТУ или ДВС, работающих только на местном топливе.
Рассмотрим более подробно рабочий цикл волнового детонационного компрессора 5 с цилиндрами 23.
Итак, детонационное сгорание рабочей смеси в первой зоне сгорания 32 приводит к сжатию, по типу работы волновых машин /см. "Основы газовой динамики", под редакцией Эммонс, перевод с английского/, сжатого воздуха во второй зоне 33. Детонационный взрыв в этой зоне 33 обеспечивает сжатие воздуха - дополнительное сжатие в зонах 34, 35, а последующие взрывы рабочей смеси в зонах 34, далее в зоне 35, создают в цилиндрах 23 последовательное повышение давления уже ранее сжатого воздуха в компрессоре 9.
Происходит рост степени сжатия ε по зонам сгорания: зона 32 - давление сгорания
1
2
4
Р, зона 33 - давление сгорания P, и так последовательно оно повышается до Р в зоне 35.
Иными словами, в цилиндрах по их высоте происходит лавинообразное повышение степени сжатия ε и давления детонационного сгорания рабочей смеси. КПД преобразования энергии при сжигании углеводородного топлива растет от зоны к зоне и достигает максимума в зоне 35.
Согласно уравнению КПД , где к=1,33 /см. В.В.Сушков "Техническая термодинамика", Госэнергоиздат, М.Л., 1960 г., стр.178 /12/.
Высокий средний КПД преобразования энергии в цилиндрах волнового детонационного компрессора, с последовательным расположением в нем комбинированных форсунок и форсунок-детонаторов - это первый вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды при добыче нефти. Детонационное сгорание рабочей смеси обеспечивает увеличение тепловыделения при сгорании на 10-12% и рост КПД, который становится равным . Это второй вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи. Образование во взрывных камерах 46 комбинированных форсунок 30 продуктов термического разложения жидкого или твердого топлива, совместно с продуктами диссоциации водных растворов сильных электролитов /или жидких металлов - натрий, калий, их сплав, олово, кадмий, свинец, алюминий и пр./, обеспечивает "впрыск" в зоны сгорания цилиндров 23 компрессора 5 газообразного топлива, со всеми преимуществами газовых двигателей перед дизельными или бензиновыми /переход к терминологии двигателей не нарушает связи в процессах сгорания в цилиндрах 23 или камерах сгорания двигателя/. Газообразное топливо имеет более широкие пределы воспламеняемости рабочей смеси, в связи с чем можно работать на обедненных рабочих смесях, чему в еще большей степени способствует способ воспламенения - не слабой искрой, как в ДВС, а ударной волной генерируемой форсункой 31 /по фиг.3/. За счет использования обедненных смесей и воспламенения ее ударными волнами, расход топлива снижается на 20% /см. В.П.Алексеев "Двигатели внутреннего сгорания", Машгиз, М., 1960 г., стр.176-177 /13/. Это третий вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи.
КПД процесса повышается
Коэффициент полезного действия еще больше повысится при применении генераторов электрических импульсов с к.п.д. 95-97% и к.п.д. преобразования энергии электрического разряда в тепловую, при взрыве электрическом струй 48 и 65 в комбинированных форсунках и форсунках-детонаторах 30, 31 до 97% и более. Это происходит за счет того, что коэффициент преобразования энергии водного раствора при электрических взрывах струй 48, 65 в цилиндрах 23 становится равным удвоенной энергии диссоциации водного раствора сильного электролита. Т.е. в этом процессе начинает работать вода раствора и осколки электролитов в процессе их химического соединения при расширении и понижении температуры в цилиндрах 23.
Это четвертый вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи.
На этом процессе основана работа волновых электрических компрессоров, которые рассмотрим ниже.
Поршневой компрессор 9. Если заменить в нем коленчатый вал на новый по патенту №2154738, усовершенствованный по патенту №2298106, представляющий собой полноопорную конструкцию с раздвижными кривошипами, стянутыми пружинами и анкерными болтами, то энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха, снижается и 1,5-2 раза, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Снижение расхода энергии турбины ГТУ или ДВС обеспечивается за счет использования с помощью нового коленчатого вала силинерции от возвратно-поступательно движущихся масс поршней и шатунов.
Это пятый вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи.
Для достижения коэффициента нефтеотдачи, превышающего 0,9, между нагнетательными и добывающими скважинами размещаются скважины-волноводы с обсадными трубами 3. На них устанавливаются точно такие же волновые детонационные компрессоры 11 с патрубками 12, 13 для подачи сжатого воздуха от поршневых компрессоров с ГТУ или ДВС, описанных выше. Подача воды для образования парогазовой смеси производится по патрубкам 14, 15.
Продукты сгорания вместе с парами воды из волновых компрессоров 11 поступают в обсадные трубы 3. Вместе с ними по трубам 3 распространяются усиленные ударные волны, которые через открытые концы труб 3 воздействуют на горную породу с образованием упругих волн 70 частотой также 10-16 Гц. Ударные волны, распространяясь в горной породе, переходят в мощные акустические волны инфразвукового диапазона, которые пронизывают нефтяной пласт с образованием в нем кавитации и акустических течений. Одновременно горные породы и нефтяной пласт в зоне действия инфразвукового поля нагреваются, что также положительно влияет на нефтеотдачу пласта. На повышение коэффициента нефтеотдачи пласта влияет также проникновение парогазовой смеси в пласт, что зависит от проницаемости горных пород и глубины расположения скважины-волновода. Задача сложная, однако на нее есть ответ. Поможет нам в этом деле открытие Харьковских физиков /см. В.Чаховский "Хранить теплоту", Техника, Знание, 1990/4, стр.54-56 /14/.
2
В цилиндрах компрессоров 11, также как и в компрессоре 5, комбинированные форсунки 30 и форсунки-детонаторы 31 размещены последовательно друг за другом. При этом сгорание рабочих смесей по зонам 32-35 также осуществляется последовательно друг за другом. Выше уже отмечалось, что такое сгорание приводит к образованию ударных волн с нарастающей энергией каждой из волн в зонах его сгорания и усиление первой ударной волны, генерируемой в зонах 32 до такой степени, что она пройдет на большие расстояния, без существенных потерь энергии /ударные и упругие акустические инфразвуковые волны, получаемые и обсадной трубе 3 и горных породах за счет трансформации ударных в инфразвуковые, все время подпитываются новой энергией от догоняющих их акустических волн в трубах 3 и горной породе/ с малым углом расходимости. Иными словами, генерация акустических волн с помощью волновых детонационных компрессоров 5 и 11 приводит к образованию волн на всем протяжении их действия с большой интенсивностью и малым углом расходимости звукового луча в горной породе /подобные установки можно использовать в качестве оружия и технологического инструмента в мирных целях - в данном примере, при добыче нефти/. Итак, упругие волны с большой интенсивностью - I до 160-200 Вт/см пронизывают горные породы и нефтяной/ые/ пласт/ы/, с образованием в нефти кавитации и акустических течений. При этом резкое снижение вязкости нефти приводит к высокой жидкотекучести ее в поровых каналах пласта/ов/, образованию в ней пузырьков с нефтяным газом, очищению поровых каналов от прилипшей нефти и вытеснению ее в нагнетательные скважины 4. Нефть полностью вытесняется из поровых каналов пласта/ов/ за счет резкого падения сил трения как внутри нее, так и о стенки поровых каналов, давления пузырьков с нефтяным газом и пластовой энергии.
Глубина скважин-волноводов зависит от мощности волновых детонационных компрессоров 11, диаметра скважин, проницаемости для звука горных пород, что связано с пористостью этих пород и, в зависимости от мощности компрессоров и количества скважин-волноводов, устанавливается опытным путем.
Например, при глубине залежи с нефтью до 2-х километров и высокой проницаемости акустических волн глубина скважин-волноводов может изменяться в интервале 50-100 м и более и диаметре до 400 мм. С увеличением глубины залегания нефтяных пластов изменяется и глубина скважин-волноводов. Волновые компрессоры 11, также как и волновые компрессоры 5, имеют собственные силовые установки /не показанные на чертеже/.
Предлагаемая технология добычи нефти позволяет вернуться к старым нефтеносным залежам и добыть из них вторую половину геологических запасов нефти. Таким образом открываются вторичные ресурсы по нефтедобыче, причем в давно обжитых районах страны. При разработке небольших локальных месторождений нефти предлагаемая технология позволяет осуществлять подземный пиролиз ее, непосредственно в залеже, для чего диаметр обсадных труб 2 должен быть больше диаметра обсадных труб 1, на величину кольцевого зазора между ними, для прохода продуктов пиролиза на поверхность. Температура пиролиза нефти 700-900°С.
Второй вариант.
В целях увеличения преобразования энергии парогазовой смеси в упругие колебания в нефтяном пласте силовая установка 8 переводится на местное топливо - нефть и продукты ее перегонки, вместо использования парогазовой смеси через патрубок 68 и обратный клапан 69, а в обсадную трубу 1 от насоса 72 через патрубок 73 закачивается горячая вода из системы охлаждения компрессора 5. Отработанные продукты сгорания из цилиндров отводятся через обратный клапан 71, который установлен в сопле 36 и имеет пружину 74 и ограничитель 75. Отработанные газы могут выбрасываться в атмосферу, а с целью повышения КПД и перевода силовой установки на продукты сгорания - они поступают на турбину ГТУ силовой установки 8. Горячая вода под импульсным давлением парогазовой смеси через сопла 16 поступает в нефтяной пласт 18, создает в нем упругие волны 67 и вытесняет нефть в добывающие скважины 4. Подача воды через патрубок 7 в этом случае не применяется.
В другом варианте нагнетательная скважина содержит цилиндр 76, поршень 77, ограничитель 78, патрубок для подачи воды 79 с обратным клапаном 80, волновой детонационный компрессор 19 с соплом 22, емкость 20, экран 81 с отверстиями, патрубок 82 для нагнетания в емкость воды и патрубок 83 для отвода парогазовой смеси на турбину силовой установки 8.
2
Емкость 20 опирается через стойки 84 на фундамент 85. Цилиндр 76 имеет патрубок 86 для подачи воды и охлаждения этого цилиндра. Как выше написано, компрессоры 5 и 19 одинаковы по конструкции, однако в этом варианте компрессор 19 работает от сети сжатого воздуха с низким давлением Р=5-6 и до 25 кг/см, т.е. от осевого или центробежного компрессоров.
За счет этого увеличивается мощность компрессора 19 в 20-30 раз, по сравнению с компрессором 5 и 11. Поэтому на крупных месторождениях нефти поршневые компрессоры 11 заменяются на компрессоры 19 с обсадными трубами 3 большего диаметра - 400-500 мм, которые заполняются горячей водой из системы охлаждения компрессора.
С ростом мощности компрессоров 19 уменьшается длина /глубина/ обсадных труб 3 скважин-волноводов и снижается стоимость добитой нефти.
Работает комплекс в этом варианте следующим образом:
продукты сгорания из сопла 22 с частотой 10-16 Гц через слой воды 87 воздействуют на днище поршня 77, который приводится в движение и сжимает столб воды в обсадной трубе 1. Вода под давлением "выстреливается" через сопла 16 в нефтяной пласт, сжимает его с возникновением упругих волн 67. При этом происходит нагнетание воды в пласт и вытеснение из него нефти, генерация упругих волн 67 с образованием в нефти, заключенной в порах горной породы /с пористостью до 40%/, кавитации и акустических течений. Нефть "кипит" с резким падением сил трения в ней и о стенки поровых каналов и вытесняется в добывающие скважины 4. Одновременно продукты сгорания нагревают воду в емкости 20 /паровом котле/, которая испаряется и в виде парогазовой смеси поступает на турбину силовой установки /не показанную на чертеже для этого варианта/. Газотурбинная установка /ГТУ/ приводит же вращение осевой компрессор и электрогенератор.
2
Охлаждение поршня 77 достигается за счет его размещения в воде емкости 20, охлаждения цилиндра 76 через патрубок 86. Экран 81 с отверстиями предохраняет попадание на турбину брызг воды. Ограничитель 78, прикрепленный к цилиндру 76, обеспечивает заданный ход поршня 77. При движении поршня и цилиндре под действием ударных волн с частотой 10-16 Гц столб воды в обсадной трубе 1 сжимается в виде мощной пружины. Например, при давлении сжатия Р=10000 кг/см, вода сжимается на 20% /см. В.А.Друянов "Сверхъявления в технике", Знание. Техника, 4/1976 г. /15/, с осуществлением мощного воздействия струй, через сопла 16 на нефтяной пласт. При этом за счет высокой плотности воды, превышающей воздух в 800 раз, происходит не мягкое, как при парогазовой смеси в первом варианте, а ударное воздействие на пласт, в связи с малой сжимаемостью воды.
Иными словами, повышается в десятки раз интенсивность инфразвуковых волн в пласте 67 и радиус их действия, что приводит к резкому снижению стоимости нефти за счет увеличения расстояний между нагнетательными и добывающими скважинами.
Кроме того, в десятки раз повышается мощность силовой установки, работающей на парогазовой смеси, поступающей через патрубок 83 на турбину ГТУ /не показанную на чертеже/.
Работа скважин-волноводов с компрессорами 19.
Известно, что энергия давления вышележащих горных пород без применения искусственных методов вытеснения обеспечивает поступление нефти в добывающие скважины не более 25%, от общих ее геологических запасов в залежи /см. 2, стр.25/.
С применением только одних скважин-волноводов с компрессорами 19 нефть можно добывать с коэффициентом нефтеотдачи около 0,9, даже без применения нагнетательных скважин. При этом в 2 или более раз снижается стоимость добытой нефти.
3
3
Особенно при использовании волновых детонационных мощных компрессоров 19, работающих с силовой установкой, снабженной осевым компрессором. Если производительность поршневых компрессоров около 400 м/мин, то осевых достигает 10-12 тыс. м/мин /см. 11, стр.6-7/. При этом ликвидируется риск выхода на поверхность парогазовой смеси, из-за ее отсутствия. В скважинах с обсадными трубами 3 находится вода, поступающая по патрубку 79.
2
Из-за малой сжимаемости воды через открытые концы обсадных труб на горную породу воздействуют или ударные волны с частотой 10-16 Гц, при небольшой глубине скважин-волноводов, или упругие волны с высокой интенсивностью, превышающей 200 Вт/см. Этот комплекс наиболее эффективен при добыче нефти на больших глубинах, за счет большой мощности компрессоров 19 и малых потерь энергии акустических волн в горных породах вышележащих пластов.
Волновые электрические машины /компрессоры/.
Они выполняются так же, как и компрессоры 5, 11, 19, и отличаются от них тем, что крышка цилиндров 24 выполняется сплошной, без патрубка для подачи воздуха 6, клапана 25, пружины 26 и ограничителя 27. При этом через дополнительную форсунку 50 в комбинированных форсунках во взрывную камеру 46 впрыскивается вода, а через сопла 41 - или концентрированный раствор сильного электролита или жидкого металла - натрия с калием, имеющим отрицательную температуру плавления - 12,5°С /см. В.Б.Козлов "Жидкие металлы, Знание, Физика, 4/1974 г, стр.13 и др./ и пр. На место форсунок-детонаторов также устанавливаются комбинированные форсунки по фиг.2.
Работает компрессор следующим образом: во взрывную камеру форсунки 30 подается электропроводная жидкость через сопла 41, которые сталкиваются в зоне контакта 49. Одновременно впрыскивается форсункой 50 вода. В момент контакта струй 48 в зоне 49 замыкается цепь разрядного контура генератора электрических импульсов /ГИ/, и разрядный ток проходит по струям 48, нагревает их с электрическим взрывом. За счет высокой температуры, превышающей 2500°С, происходит термическое разложение жидкости струй 48 с образованием водорода, кислорода и осколков электролита, а также мгновенное испарение впрыснутой воды, с ее также термическим разложением на водород, кислород. /разрядник 45 вводится ж схему ГИ только при направлении струй 48 на стенки взрывной камеры 46 комбинированной форсунки/.
ГИ
В начале рабочего цикла включаются только форсунки 30, 31 в первой зоне 32, как и в ранее рассмотренных волновых детонационных компрессорах. Последовательнее включение форсунок в зонах 33-35 приводит к росту КПД компрессора и усилению ударной волны в соплах 36, 22, 21. Образовавшиеся продукты термического разложения водного раствора и воды выходят из сопел 47 форсунок в зону 32 и как рабочее тело с высокой температурой совершают работу расширения в стороны крышки 24 и сопла 36 с образованием ударной волны. По мере расширения продуктов из водорода, кислорода и осколков электролита снижается их температура ниже 2500°С, с совершением обратного процесса ассоциации - соединения водорода с кислородом и осколков электролита. Химическая реакция соединения газов приводит к выделению того же количества тепла, которое было затрачено при электрическом взрыве струй 48, детонационному сгоранию водорода в кислороде с осколками электролита, возникновению ударных волн, которые усиливают первую от электрического взрыва, с коэффициентом преобразования энергии, равной двойной энергии, диссоциации раствора и воды. Коэффициент преобразования энергии воды раствора и впрыснутой воды, равный 2, позволяет при КПД генератора электрических импульсов /ГИ/ η=93-97% использовать воду в качестве топлива.
В детонационных же компрессорах эта дополнительная энергия при электрических взрывах струй 48, 65 повышает модность компрессора, или при одной и той же мощности снижает расход топлива.
4
Струи электролита 48, в этой конструкции волнового электрического компрессора, несут в жидкости частицы металлов, разм. 30-40 мкм и менее, для увеличения удельной электропроводности и регулирования ее, в зависимости от концентрации этих частиц в растворе. Они выполняются диаметром 0,087 мм и более, а температура электрического взрыва струй превышает 2÷5×10К и устанавливается окончательно экспериментальным путем.
Достоинствами электрических компрессоров являются экологичность выхлопных газов и меньшая стоимость.
Технико-экономическая часть.
Предлагаемые искусственные методы воздействия на нефтяные пласты, в отличие от известных, обеспечивают достижение четырех эффектов:
1. Увеличение темпа отбора нефти из залежи и повышения ее нефтеотдачи в 2 раза, для легких нефтей, и в 6 раз и более, для вязких нефтей.
2. Снижение количества нагнетательных скважин, размещенных на больших глубинах, что уменьшает затраты на их строительство и эксплуатацию.
3. Обеспечивает отбор нефти из ранее разработанных месторождений, с полным извлечением всех ее геологических запасов.
4. Стоимость добываемой нефти снижается в 3 раза, по сравнению с нынешней, и главное, становится ясным то, что необходимо беречь нефть для будущих поколений людей, так как она становится легкоизвлекаемой - легкодоступной, почти как вода.
Выводы.
Волновые детонационные компрессоры 5, в которых используется воздух с высокими давлениями, превышающими 10-70 МПа, обеспечивают также и высокие давления продуктов сгорания в нагнетательных скважинах с обсадными трубами 1. Эти давления парогазовой смеси, действующей через сопла 16 на горную породу с нефтью, при детонационном сгорании превышают давления при обычном медленном сгорании, например, в ДВС /более 10 МПа/ на порядок и более - около Р=100-140 МПа /см. 8, стр.30/, при этом упругие акустические волны, генерируемые ударами парогазовой смеси, через сопла 16 на нефтяной пласт, с частотой 10-16 Гц создают в жидкости кавитацию и акустические течения, способствующие резкому увеличению дебита и к-та нефтеотдачи. При увеличении мощности силовой установки 8 и применения нескольких поршневых компрессоров 9 увеличивается также мощность излучателя, сопел 16 и интенсивность упругих инфразвуковых волн 67. При этом решается окончательно вопрос с установкой компрессоров 11 и устройством скважин-волноводов 3 путем пробного извлечения нефти из добывающих скважин 4. /или из наблюдательных/. Этот же вопрос - применять или нет скважин-волноводы - решается также за счет изменения расстояний между добывающими скважинами 4. То же относится и при работе волновых детонационных компрессоров 19 и силовыми установками с осевыми компрессорами.
Следует помнить, что волновые детонационные и волновые электрические компрессорные машины 5, 11 и 19 являются высокоэкономичными машинами и создают резкое увеличение дебита добывающих скважин. Приток нефти в скважины может превышать производительность современных насосов, особенно насосов-качалок.