УСТРОЙСТВО АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДАЛЬНЮЮ ЗОНУ НЕФТЕНОСНОГО ПРОДУКТИВНОГО ПЛАСТА ЗА ПЕРФОРАЦИЕЙ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ СКВАЖИНЫ

Предлагаемое устройство относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при разработке нефтяных месторождений, очистке водозаборных и рудных скважин. Устройство относится к группе устройств, осуществляющих волновое акустическое воздействие и должно использоваться внутри обсадной колонны в зоне перфорации и нефтяного продуктивного пласта.
Известны различные способы и устройства, создающие механическое воздействие на зону перфорации обсадной колонны и нефтяной пласт, расположенный за ней (RU2129659, RU2161244, RU2047280, RU2192651, RU2055979, SU1402991, WO96/12409, US57276628, US4184562, US446975).
Наиболее близким к заявляемым является способ и устройство для низкочастотного волнового воздействия, содержащее излучающий элемент в форме диска с плоскими излучающими поверхностями и, по меньшей мере, один отражающий экран - RU2260114 (прототип). Создаваемое акустическое поле локализуют, по меньшей мере, в одном объеме, ограниченном излучающим элементом, стенками обсадной колонны и отражающим экраном. При этом, излучающую поверхность и отражающую поверхность экрана располагают перпендикулярно оси обсадной колонны. Расстояние между этими поверхностям устанавливают равным целому числу длин полуволн в скважинной жидкости на рабочей частоте излучателя с возможностью перемещения экрана вдоль оси устройства и фиксации в заданном положении. Этим обеспечивают резонанс акустического излучения внутри объема его локализации.
В предпочтительном варианте осуществления способа, создаваемое акустическое поле локализуют в двух резонансных объемах за счет использования второго отражающего экрана, размещаемого на корпусе излучателя по другую сторону излучающего элемента симметрично первому экрану.
Один из отражателей установлен на штанге с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и фиксации в заданном положении, при этом второй отражатель установлен снаружи герметичного корпуса с возможностью возвратного поступательного перемещения вдоль него и фиксации в заданном положении.
В прототипе использован составной акустический излучатель, основным элементом которого являются центральный стержень с пьезокерамическим или магнитострикционным пакетами, создающими механические колебания, и две накладки на стержень. В совокупности стержень и накладки создают колебательную систему с рассчитываемой резонансной частотой. Составной излучатель может быть «симметричным» и «несимметричным». У симметричного излучателя накладки имеют одинаковую массу. В прототипе представлен излучатель, у которого одна накладка излучающая (активная), а вторая пассивная. Возможно создание конструкции составного излучателя, у которого обе накладки активные. При этом, обе накладки имеют поверхности, соприкасающиеся с внешней средой.
u
ж
ж
u
ж
ж
Используются термины - «акустически мягкая среда» и акустически жесткая среда». Они характеризуют соотношение «характеристических» импедансов (Z) излучателя и рабочей жидкости. Если Z излучателя много больше произведения ρ С, то среда считается «акустически мягкой». Если Z излучателя много меньше ρ С, то среда считается «акустически жесткой». Аналогично оцениваются друг с другом и импедансы контактирующих сред. Следует учитывать, что при падении волны на акустически мягкую среду на границе в отраженной волне имеет место поворот фазы на 180.
В прототипе использованы металлические, следовательно, «акустически жесткие» отражатели.
На фиг.1 приведена конструкция излучателя, реализующая способ, предложенный в изобретении - прототипе. На ней же показаны эпюры колебательного смещения накладок излучателя, а также колебательного давления и скорости в жидкости около излучателя, помещенного в обсадную колонну. На фиг.1, 1 - пассивная накладка, 2 - стержень пьезокерамический или магнитострикционный, генерирующий колебания, 3 - активная накладка, 4 и 5 - отражатели (или экраны), в данном чертеже «акустически жесткие», 6 и 7 - резонирующие объемы, 8 - стенки обсадной колонны, 9 - отверстия перфорации. Справа от излучателя помещена иллюстрация формы колебаний стенок обсадной колонны, создаваемых излучателем, 10 - цементная оболочка.
ж
ж
ж/2
ж/2
Акустическое воздействие на зону перфорации производится обсадной колонной на участке протяженностью λ (λ - длина волны в жидкости), причем участок λ расположен перед излучателем и участок λ - вокруг излучателя.
На фиг.1 изображена осесимметричная поверхностная волна - одна из мод возникающих колебаний - т.к. в общем случае мод несколько. У мод различные скорости распространения.
Параметры физических процессов не поддаются даже приближенному расчету. Колебания всех мод демпфируются слоем цемента и внешним грунтом. Колебания за обсадной колонной создаются поверхностной волной. В двух четвертях волны давление и скорость связаны между собой разными фазами. Тогда источник акустического излучения представляет как бы две дипольные пары, создающие направленность акустического излучения вдоль оси обсадной колонны вверх и вниз. В поперечном направлении в зоне, удаленной от обсадной колонны, при равной в диполе интенсивности источников, давление равно 0.
Звуковые колебания воздействуют:
- на перфорацию добывающей скважины, очищая ее от кольматации;
- на продуктивный пласт, уменьшая трение нефтеносной жидкости при прохождении ею пор нефтеносного пласта, увеличивая эффективность воздействия нагнетательных скважин.
Эффект усиливается при увеличении интенсивности звуковых колебаний и зоны их воздействия.
Испытания на нефтяных скважинах прототипа полезной модели показали во всех случаях прирост дебита непосредственно после звукового воздействия на величину от 50 до 100%. Эффект наблюдался и при озвучивании потерявшей приемистость нагнетательной скважины. В пересчете на суточное потребление дебит закачки составил 144 кубических метра, что составляло ее среднее потребление в режиме эксплуатации. По одной из скважин известно, что прирост столба нефти составил, примерно, 100 м и, этот эффект наблюдался в течение шести месяцев.
Работы проводились в ОАО Тат-РИТЭК нефть в Татарстане в 2005 и 2006 годах (добывающие скважины №№2576, 2567, 3607, нагнетательная скважина 2504).
Недостатком излучателя-прототипа является то, что его излучение в продуктивный нефтяной слой ограничивается зоной вблизи обсадной колонны. Преимуществом излучателя является протяженная зона воздействия на перфорацию и продуктивный слой вблизи от обсадной колонны.
Следовательно, способ создания акустического излучения вдали от обсадной колонны в продуктивном слое состоит в ослаблении влияния (или полном исключении) источников одной полярности.
Предлагаемое устройство, уступая известному (по эффективности воздействия на продуктивный пласт вблизи от добывающей скважины), существенно эффективнее прототипа по воздействию на более удаленные участки продуктивного пласта. При этом можно ожидать прироста не только дебита скважины, в которую помещен излучатель, но и дебита соседних скважин, в особенности, при использовании низкочастотных излучателей.
ж/4
Технический результат, обеспечивающий решение, достигается за счет применения «акустически мягкого» отражателя и сокращения расстояния между излучающей поверхностью излучателя и отражающей поверхностью экрана до величины λ на рабочей частоте.
При этом использоваться может только один экран, а поверхность активной накладки с противоположной стороны должна быть снабжена акустически мягким экраном.
ж/4
На фиг.2 показаны конструкции излучателя, реализующие предлагаемый способ. Так как протяженность резонирующего объема жидкости близка к λ, давление и скорость в жидкости имеют фазу одного знака, а излучающий объем превращается в монополь.
В связи с малой протяженностью резонирующего объема, диаграмма направленности излучения в вертикальной плоскости близка к окружности.
Она определяется по формуле
В связи с осевой симметрией диаграммы направленности, ее вид близок к сфере, т.е. излучение, практически, не имеет направленности.
Конструкция предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, представленным на фиг.2. Для воздействия на нефтеносный пласт за обсадной колонной, в зону перфорации помещен составной акустический излучатель, содержащий излучающий элемент в виде диска с плоскими излучающими поверхностями и, хотя бы один, отражающий экран из «акустически мягкого» материала. При этом акустическое поле локализовано в резонирующем объеме жидкости, заключенном между излучающим элементом, экраном и стенками обсадной колонны. Излучающая поверхность излучателя и отражающая поверхность экрана расположена перпендикулярно оси обсадной колонны, а расстояние между этими поверхностями установлено равным четверти длины волны в скважинной жидкости на рабочей частоте акустического излучателя.
При этом отражающий экран фиксирован на определенном расстоянии от излучающей поверхности, с возможностью поступательного перемещения с целью согласования импедансов излучателя и резонирующего объема путем изменения расстояния между излучающей поверхностью излучателя и отражающей поверхностью экрана.
Поверхность излучающего элемента со стороны, противоположной резонирующему объему снабжена «акустически мягким» покрытием, экранирующим излучение в сторону, противоположную резонирующему объему.
Устройство содержит составной акустический излучатель, состоящий из пассивной накладки 1 и колебательного пьезокерамического стержня 2, помещенных в герметичный корпус 5, активного излучающего элемента 3, помещенного снаружи герметичного корпуса, отражающего экрана 4 из «акустически мягкого» материала, экрана 6, также из «акустически мягкого» материала, обсадной колонны 8, с отверстиями перфорации 9, кабель-троса 10. Между элементами 3 и 4 создан резонирующий объем жидкости 7. Излучающий элемент 3 и экраны 4 и 6 установлены с минимально возможным зазором к стенкам обсадной колонны. Опускание излучателя в скважину и питание его электрической энергией производится через кабель-трос 10.
Заявленное устройство может быть реализовано при двух резонирующих синфазно объемах скважинной жидкости.
Техническая реализация этого способа представлена на фиг.3 и фиг.4. Использован составной симметричный акустический излучатель с двумя излучающими накладками, каждая из которых вынесена из герметичного корпуса в жидкость.
n
Излучатель, настроенный на определенную резонансную частоту, может иметь различную длину в зависимости от диаметра центрального стержня его конструкции, а также используемой пьезокерамики и массы накладок. При этом, длина стержня l может быть, как меньше, так и больше половины длина волны в жидкости на резонансной частоте.
На фиг.3 приведена конструкция излучателя при
При этом излучатель имеет симметричную конструкцию. Обе накладки 1 и 3 на стержень 2 являются активными (т.е. излучающими), вынесены за пределы герметичного корпуса 6. «Акустически мягкие» демпферы 4 и 5 укреплены на поверхностях накладок, противоположных излучающим сторонам. Излучатель снабжен отражателями из «акустически мягкого» материала 7 и 8, расположенными выше и ниже излучателя. Резонирующие объемы 11 и 12, имеющие протяженность вдоль оси обсадной колонны каждый, образуют между накладкой 1 и отражателем 7, накладкой 3 и отражателем 8, соответственно. Цифрой 9 обозначена обсадная колонна, а цифрой 10 - электрический кабель-трос питания излучателя.
Колебания накладок 1 и 3 синфазны, в связи с чем, образуют два разнесенных излучающих синфазно участка поверхности обсадной колонны. По сравнению с излучателем, снабженным одним резонирующим объемом (фиг.2), диаграмму направленности излучения в вертикальной плоскости сужена в несколько раз (примерно в 4 раза).
На фиг.4 изображена конструкция излучателя при ; цифры - обозначения элементов - на фиг.4 и фиг.3 совпадают.
Главное отличие конструкции состоит в том, что «акустически мягкие» экраны в варианте фиг.3 установлены на герметичном корпусе излучателя и, одним из элементов, ограничивающем резонирующие объемы, является корпус излучателя.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Устройство (излучатель) опускают на кабель-тросе в скважину в зону перфорации. Возбуждающее напряжение с резонансной частотой излучения подается на излучатель. Внутри объема жидкости между активной накладкой и отражателем возникает поле стоячих волн. Энергия акустических колебаний через отверстия перфорации и стенки обсадной колонны поступает в продуктивный пласт и распространяется по нему, облегчая поступление нефти в скважину.