УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ
DEVICE FOR WAVE PROCESSING OF PRODUCTIVE FORMATIONS

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для генерации колебаний давления, используемым в волновой технологии совмещенного воздействия на продуктивные пласты с целью повышения извлечения углеводородов.
Высокая эффективность волнового воздействия на пласт при использовании жидкости может быть обеспечена возбуждением резонансных колебаний в столбе жидкости в обсадной колонне скважины путем согласования режима работы излучателя и скважины. Накопленный авторами заявки опыт использования волнового воздействия на продуктивные пласты свидетельствует, что, как правило, низкие частоты соответствуют частоте собственных колебаний столба жидкости в скважине.
Известно устройство для формирования акустических полей высокой интенсивности (патент №2041343, кл. Е21В 43/00). Устройство состоит из двух струйных генераторов импульсов с внутренней обратной связью, осуществляемой с помощью резонансных камер, каждый из которых имеет входное плоское сопло, две симметрично расположенные относительно оси генератора резонансные камеры, переходящие в проточные каналы прямоугольной формы, разделенные клином. Каналы заканчиваются выходными патрубками, оси которых находятся в плоскостях, проходящих через продольную ось устройства и пересекающихся по отношению к ней под углом 90°.
Недостатком известного устройства является невозможность использования подобных технических решений при применении рабочих агентов, представляющих собой несжимаемую жидкость. Высокая скорость распространения возмущений в жидкости (более 1400 м/с) вызывает увеличение размеров резонансных камер в излучателе, что влечет за собой увеличение внешнего диаметра устройства до размера, превышающего (при практических значениях частот воздействия на пласт) внутренний диаметр обсадной колонны скважины. Величина внутреннего диаметра последней составляет, в основном, на нефтяных месторождениях, как правило, 130-170 мм.
Известно также устройство - излучатель на основе резонатора Гельмгольца (Труды научно-практической конференции VIII Международной выставки. Нефть, газ. Нефтехимия - 2001. 5-8 сентября 2001 г., том II. Статья «Гидромеханический осциллятор как устройство для возбуждения колебаний давления в потоке жидкости, нагнетаемой в пласт». С.172-178).
Устройство состоит из резонансной камеры Гельмгольца цилиндрического типа и установленных в ней (по оси на входе и выходе камеры) сопл. Механизм самовозбуждения колебаний заключается в следующем. Круглая струя жидкости из сопла на входе движется через осесимметричную полость камеры Гельмгольца и затем выходит в окружающую среду через выходное сопло. При этом диаметр полости камеры много больше диаметра струи, и вследствие чего скорость в полости много ниже, чем в струе. Это приводит к сильным сдвиговым смещениям на границе раздела между двумя потоками. Сдвиговое течение реализуется в вихрях. При круглой струе вихревые линии принимают форму окружностей (колец). Соударение упорядоченных осесимметричных возмущений, таких как вихревые кольца, в сдвиговом слое, с кромкой выходного сопла генерирует периодические импульсы давления. Эти импульсы распространяются вверх по потоку к зоне начального отрыва, усиливая очередное вихревое кольцо. Усиление имеет селективный характер (в узком частотном диапазоне). Цикл включает истечение, обратную связь и усиление возмущений. В результате в сдвиговом слое развиваются сильные колебания, захватывающие даже ядро струи. При этом в полости камеры формируется поле пульсаций давления. Увеличение амплитуды колебаний, как правило, способствует большей эффективности воздействия на пласт вследствие возрастания протяженности поля колебаний.
Недостатком этого устройства является то обстоятельство, что при колебаниях с большой амплитудой разрушается сплошность жидкости и в ней образуются кавитационные пузырьки, обусловленные качественным изменением колебательного процесса в жидкости. В условиях развитой кавитации наблюдается процесс периодического распространения гидродинамического разрыва в виде фронта волны схлопывающихся пузырьков, приводящих к кавитационному разрушению материала отверстия выходного сопла. Тем самым нарушается рабочий процесс генерации колебаний в потоке жидкости на выходе устройства и не обеспечивается возможность длительной эксплуатации его при технологии совмещенного воздействия на пласт. Кроме того, генерация колебаний с высоким значением амплитуды в потоке жидкости с помощью резонатора Гельмгольца не обеспечивает получение низких частот вследствие необходимости многократного увеличения объема резонансной камеры, в первую очередь за счет увеличения внутреннего диаметра (в сравнении с камерами, обеспечивающими колебания высокой частоты). Попытка увеличения объема камеры за счет многократного возрастания длины вызывает необходимость снижения значения критерия Струхаля в сравнении с оптимальным (St=0,45-0,5), при котором реализуются колебания давления с высоким значением амплитуды (Буторин Э.А., Кравцов Я.И., Секачев Л.Н. Определение и исследование зоны устойчивой генерации колебаний давления гидродинамическими излучателями на основе резонатора Гельмгольца для осуществления энергоэффективных технологий // Известия Академии наук. Энергетика. 2006 г., №2, С.128-135).
Известно устройство - гидродинамический пульсатор давления (а.с. 1655157, Кл. Е21В 43/00), включающий корпус с внутренней полостью, образованный вихревой камерой с верхним торцом и выходным каналом, и входными тангенциальными отверстиями. В верхнем торце вихревой камеры выполнена сферическая полость для уменьшения кавитационного износа. Жидкость поступает в вихревую камеру пульсатора через входные тангенциальные отверстия и под действием центробежных сил образует в камере закрученный вихревой поток. Вращающийся с большой скоростью вихревой поток жидкости образует в центральной полости вихревой камеры зону разрежения, формирующуюся соосно выходному каналу, что не исключает кавитационный износ камеры. Последний приводит к нарушению геометрии камеры, что вызывает нарушение установившегося колебательного истечения струи и тем самым снижение эффективности воздействия на пласт. Помимо этого, наличие ряда тангенциальных отверстий малого диаметра способствует их засорению механическими частицами, содержащимися в рабочем агенте, поступающем в пульсатор из насосно-компрессорной трубы.
Рассмотренные выше варианты устройств генерации акустических колебаний вследствие перечисленных недостатков затрудняют их работу на низких частотах, при которых в ходе технологического процесса путем возбуждения резонансных колебаний столба жидкости за генератором в скважине существенным образом можно увеличить энергию упругих волн, передаваемую из скважины в продуктивный пласт.
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 котором струя жидкости подается через входное сопло и под действием управляющего усилия дополнительной 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 вследствие 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 отсутствие 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 невысокая 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 также другое устройство генерации импульсов расхода (давления) повышенной амплитуды в потоке жидкости, основанное на использовании бистабильной струи в усилителе (патент US №4181153). В этом 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. Между выходными каналами размещен разделитель потока.
При продвижении к выходу канала поток жидкости поступает в узкую протяженную трубу, заканчивающуюся «упругой» емкостью, в которой за счет скоростного напора происходит восстановление давления. При подаче управляющей струи в другой канал управления происходит переключение струи жидкости (рабочего агента) во второй выходной канал, откуда 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 80% в сравнении с вариантом без «упругой» емкости.
Однако это устройство из-за низкой надежности при эксплуатации в условиях забоя скважины, что требует наличия расхода управления и автоматики, обеспечивающей подачу его, также не может быть использовано.
Известно техническое решение (Kazuhiro Murai, Yosure Kawashima, Shigeyasu Nakanishi and Masao Taga. Self oscillation phenomena of turbulent jets in a channel // The Canadian journal of chemical engineering. 1989. Vol.57. December, pp.906-911), позволяющее генерировать интенсивные колебания давления низкой частоты в потоке смешивающихся компонентов жидкости (сжимаемой и несжимаемой) и исключающее воздействие кавитации на определяющие конструктивные элементы устройства вследствие отсутствия выходного сопла. В этом случае импульсы давления формируются в потоке жидкости поочередно в двух направлениях посредством переключения струи при проявлении эффекта Коанда.
Это техническое решение является наиболее близким по сущности заявляемого решения и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Устройство (бистабильный осциллятор) состоит из рабочей камеры, выполненной в виде параллелепипеда с выходом на заднем торце. Объем камеры образован боковыми стенками, высота которых определяет высоту камеры; верхней и нижней стенками, ширина которых определяет ширину камеры; и передней стенкой с установленным в ней осесимметричным соплом, обеспечивающим гидравлическую связь с источником рабочего агента, ось сопла при этом совпадает с продольной осью камеры, обеспечивающим подачу жидкости в нее.
Механизм возбуждения колебаний состоит в следующем. При истечении из круглого сопла струя жидкости прилипает к одной из боковых стенок камеры (эффект Коанда). Вблизи стенки, прилегающей к соплу, давление уменьшается (по сравнению с зоной вблизи противоположной стенки). Вследствие разности давлений жидкость перетекает через зазор между соплом и верхней и нижней стенками. Зона с пониженным давлением возрастает, и точка прилипания к боковой стенке смещается вниз по потоку. Давление в этой области постепенно увеличивается, а в области у противоположной стенки - понижается. В результате струя перемещается к противоположной стенке. Описанный механизм приводит к возникновению устойчивых низкочастотных колебаний струи в направлении боковых стенок рабочей камеры устройства. На выходе рабочей камеры (входе в зону скважинной жидкости) происходит суммирование выходных импульсных струй, что приводит к удвоению частоты колебаний в объединенной струе при одинаковых значениях амплитуды входных струй и объединенной струи.
Подобные акустические устройства конструктивно просты, т.к. в них отсутствуют подвижные конструктивные элементы. Они хорошо работают в условиях высоких температур, при вибрациях и ударных нагрузках.
Эти устройства не требуют дополнительных источников энергии, поскольку для возбуждения акустических колебаний используется кинетическая и потенциальная энергия потока жидкости. С помощью устройства могут быть возбуждены в потоке жидкости колебания низкой частоты. При этом за счет резонанса столба жидкости в скважине в условиях генерирования вынужденных колебаний излучателем может быть значительно увеличена мощность волн, передаваемых в пласт. Известно, что зона влияния акустического воздействия на пласт может достигать сотен метров. Подобный эффект наблюдается при воздействии низкочастотными и инфразвуковыми (до 20 Гц) колебаниями. Большой радиус воздействия достигается вследствие малого поглощения волновой энергии колебаний при низкой частоте (Кузнецов О.Л., Симкин Э.М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты. - М.: Мир. 2001. Глава 2, с.25).
Однако значение амплитуды колебаний давления на входе в пласт (на выходе излучателя) недостаточно при использовании подобных устройств на месторождениях с большими расстояниями (несколько сот метров) между добывающими и нагнетательными скважинами.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение отдачи продуктивных пластов характеризуемыми повышенными расстояниями между добывающими и нагнетательными скважинами и увеличение общей производительности. Это достигается в новом изобретении путем увеличения вдвое амплитуды колебаний давления в объединенной струе на выходе устройства (на входе в пласт) путем суммирования действия двух выходных импульсных струй, истекающих из одного бистабильного осциллятора, при одинаковых значениях частоты колебаний выходных струй и объединенной струи. Также достигается повышение надежности его за счет устранения эффекта кавитации. Тем самым обеспечивается возможность продолжительного поддержания процесса добычи с помощью волнового поля.
Сущность решения поставленной задачи заключается в том, что в известном устройстве, предназначенном для волновой обработки продуктивных пластов с гидравлической связью с содержимым обсадной трубы скважины, содержащем корпус в виде плоской рабочей камеры с выходом на заднем торце и ограниченной передней стенкой с расположенным в ней вдоль продольной оси съемным соплом в гидравлической связи с источником рабочего агента, боковыми стенками, верхней и нижней стенками, для решения поставленной задачи к выходу из рабочей камеры присоединены два отводящих рабочий агент патрубка, находящихся в гидравлической связи с содержимым обсадной трубы скважины, причем продольные оси патрубков лежат в плоскости продольной оси рабочей камеры и параллельны между собой, при этом длина одного из выходных патрубков превышает длину второго на величину, определяемую выражением:
где ΔL - превышение длины одного из выходных патрубков по отношению ко второму, м;
G - массовый расход рабочего агента, кг/с;
3
ρ - плотность рабочего агента, кг/м;
2
S - площадь поперечного сечения выходного патрубка, м;
f- частота генерации импульсов расхода (давления), 1/с;
n - число импульсов расхода длительностью Т каждый (T=1/f) через наименьший по длине выходной патрубок, n=1, 2, 3 и т.д.
Кроме того, возможен вариант выполнения устройства, в котором рабочая камера содержит на выходе разделительный клин с острым углом, находящийся между выходными патрубками, причем ось разделительного клина совпадает с продольной осью сопла и осью симметрии рабочей камеры в поперечном сечении.
Кроме того, возможен вариант выполнения устройства, в котором выходные патрубки рабочей камеры заключены в общий съемный цилиндрический кожух.
Кроме того, возможен вариант выполнения устройства, в котором часть выходного патрубка, составляющая превышение длины, является съемной.
Кроме того, возможен вариант выполнения устройства, в котором поперечные сечения выходных патрубков одинаковы, а отношение длин каналов находится в зависимости:
min
где L - наименьшая длина одного из выходных патрубков,
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 «существенные отличия».
Устройство изображено на фиг.1-6.
Устройство (фиг.1, 2) 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, соосное с продольной осью рабочей камеры 1. На выходе к камере присоединены два отводящих рабочий агент выходных патрубка 8, 9, находящихся в гидравлической связи с содержимым обсадной трубы скважины, оси выходных патрубков параллельны между собой, причем длина второго патрубка 9 превышает длину первого 8 на величину, обеспечивающую запаздывание по времени прохождения импульса (импульсов) расхода (давления) по второму патрубку 9 на величину, равную периоду (N периодов) длительности импульса, формируемого на выходе из первого патрубка 8 в рабочем теле, поступающем на забой скважины. Поскольку длительности импульсов, формируемых устройством, равны и совпадают по фазе, то имеет место увеличение амплитуды на выходе устройства вдвое при том же массовом расходе через устройство.
Устройство устанавливают на забое скважины 10, стыкуя рабочую камеру 1, например, с насосно-компрессорной трубой 11, по которой поступает жидкость (сжимаемая или несжимаемая), или стыкуют с выходным фланцем парогазогенератора (парогенератора). В этом случае на вход устройства поступает парогаз (пар).
На фиг.3 изображен вариант устройства с разделительным клином 12, находящимся между выходными патрубками 8 и 9.
На фиг.4 изображен вариант устройства, в котором выходные патрубки 8 и 9 заключены в общий цилиндрический кожух 13, который является съемным.
На фиг.5 изображен вариант устройства, в котором часть 14 выходного патрубка 9, составляющая превышение длины, является съемной.
На фиг.6 изображен вариант устройства, в котором поперечные сечения выходных патрубков одинаковы.
Работает устройство следующим образом: рабочий агент под давлением подается в съемное круглое сопло 7, при истечении из которого струя жидкости прилипает в силу эффекта Коанда к одной из боковых стенок, например 3 рабочей камеры 1. Далее поток жидкости направляется в боковой патрубок 8 и истекает в обсадную колонну 10 скважины в область, прилегающую к стенке обсадной колонны, формируя распространение импульса давления на выходе устройства или в режиме вынужденных продольных колебаний в столбе жидкости, заполняющей скважину, или в режиме резонансных продольных колебаний в случае равенства или кратности вынужденных значений частоты колебаний частоте значений собственных колебаний (моды) столба жидкости, заключенного между излучателем и, например, дном скважины. Далее импульс давления распространяется в пласт.
Вблизи боковой стенки 3, прилегающей к передней стенке 6 с соплом 7, давление уменьшается по сравнению с зоной вблизи противоположной боковой стенки 2.
Вследствие разности давлений жидкость перетекает от боковой стенки 2 через зазор между соплом 7 и боковыми стенками 4 и 5 к боковой стенке 3. Зона (с пониженным давлением) у боковой стенки 3 возрастает, и точка прилипания струи жидкости к боковой стенке 3 смещается вниз по потоку. Это еще более приводит к увеличению перетекания жидкости к стенке 3, а в области у противоположной стенки 2 давление понижается. В результате струя перемещается к противоположной стенке 2, протекает через выходной патрубок 9 и далее истекает в обсадную колонну 10 скважины, формируя импульс давления на выходе устройства (на входе в скважинную жидкость). Описанное воздействие приводит к возникновению устойчивых колебаний струи в направлении боковых стенок 2 и 3 рабочей камеры 1.
Результат воздействия 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 колебания), после чего процесс повторяется. Со сдвигом по времени на t=T (t=nT, где n=1, 2, 3 и т.д.) на среду скважинной жидкости начинает действовать импульс расхода от второй струи с тем же периодом длительности и той же амплитудой давления, 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 колебаний объединенной струи возрастает вдвое при том же массовом расходе рабочего тела на входе в бистабильный осциллятор.
Далее цикл повторяется. Таким образом, в условиях совмещения периодов и фаз действия импульсов расхода (давления) можно записать:
0≤t≤nT - действует импульс давления от первой струи, n=1, 2, 3 и т.д.
При t>nT - действует совокупность импульсов давления в объединенной струе (от первой и второй струй), где n=1, 2, 3 и т.д.
В итоге вызванное в пласте колебаниями потока скважинной жидкости волновое поле при увеличенной амплитуде способствует большему повышению фазовой проницаемости углеводородного сырья и увеличению коэффициента нефтеотдачи.
Протяженность области пространства, в которой формируются упругие колебания (волны), составляет ориентировочно (5-10)λ, где λ - длина волны (отчет «Научно-исследовательская работа в области создания волнового метода воздействия на пласт через горизонтальные скважины». Том 1, 1987, ВНТИЦ 02880007562, с.78). В свою очередь λ=c/f, где с - скорость распространения звука в среде, f - частота колебаний.
В области низких частот воздействия на пласт 15-50 Гц, принимая для продуктивного пласта значение скорости звука равным с=2000 м/с, устанавливаем, что длина волны составляет: λ=2000/(15-50)=133-40 м.
В этом случае протяженность распространения колебаний в пласте составляет сотни метров, что оказывает воздействие на процесс вытеснения нефти на значительном пространстве продуктивного пласта и, следовательно, способствует интенсификации процесса и повышению нефтеотдачи пласта.
Конкретная реализация предложенного технического решения сводится к определению основных геометрических параметров излучателя колебаний давления низкой частоты, обеспечивающих устойчивость колебаний в резонансной камере. Для этого необходимо воспользоваться результатами исследования (Kazuhiro Murai, Yosure Kawashima, Shigeyasu Nakanishi and Masao Taga. Self oscillation phenomena of turbulent jets in a channel // The Canadian journal of chemical engineering. 1989. Vol.57. December, pp.906-911) зависимости числа Струхаля-Sh и форм-фактора σ. Последний определяется функциональной зависимостью между диаметром сопла (D), высотой (А) и шириной (В) передней стенки резонансной камеры. Число Струхаля при этом определяется диапазоном чисел Рейнольдса, соответствующих области устойчивой генерации колебаний давления излучателем.
0
Выбирая величину массового расхода жидкости через излучатель в забой нагнетательной скважины, например 120 т/сут (G=1,4 кг/с), и задавая величину коэффициента расхода жидкости через сопло, равную, например, 0,76 (что соответствует коэффициенту сужения струи в сопле, равному значению µ=0,87) при выбранной величине скорости потока жидкости в сопле u=90 м/с, получаем диаметр поперечного сечения сопла из зависимости:
ρ - плотность жидкости.
Из данных исследований на воде (таблица-фиг.11) для полученного значения диаметра поперечного сечения сопла (5 мм) находим рекомендуемые соотношения геометрических параметров, при которых обеспечивается генерация излучателем колебаний давления:
A/D=3,2, А=16 мм; B/D=10, В=50 мм.
2
Таким образом, значение форм-параметра - σ составляет: σ=AD/B=0,032.
Из приведенного графика на фиг.11 (зависимость числа Струхаля-Sh от значений форм-фактора σ) определяем величину Sh=0,00133. Учитывая, что выражение числа Струхаля имеет вид , находим частоту переключения струи (колебаний давления на выходе боковых патрубков устройства) в резонансной камере излучателя:
С изменением расхода жидкости, например уменьшением его вдвое при сохранении геометрических параметров резонансной камеры, скорость струи в сопле также уменьшится вдвое (при условии сохранения значения коэффициента сужения струи, равного 0,87), что приведет к понижению вдвое частоты переключения струи (12 Гц).
2
Приняв за основу полученные значения параметров, определим величину превышения длины одного из патрубков по отношению ко второму. Значения площади поперечного сечения их выберем одинаковыми, например равными S=А·0,025=0,016·0,025=0,0004 м.
Объем жидкости, поступившей в полость выходного патрубка за единичный импульс длительностью t:
Объем жидкости, поступившей в полость выходного патрубка за n импульсов с длительностью Т:  где n=1, 2, 3 и т.д.
/
/
Объем превышения полости выходного конца одного из выходных патрубков: V=S·ΔL. Так как V=V, отсюда величина ΔL составляет:
при n=1.
При n=4, например: ΔL=0,584 м.
Использование предложенного устройства для воздействия на продуктивные пласты позволяет повысить добычу извлекаемых углеводородов за счет:
- возрастания протяженности воздействия на пласт из-за увеличения амплитуды колебаний давления низкой частоты на входе в пласт;
- совмещения с используемой технологией разработки месторождения;
- увеличения ресурса работы путем исключения воздействия кавитации на определяющие конструктивные элементы устройства.