Способ интенсификации добычи нефти, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах и устройство для его реализации
METHOD OF INTENSIFICATION OF OIL PRODUCTION, LIQUIDATION AND PREVENTION OF DEPOSITS IN OIL AND GAS PRODUCING AND DISCHARGE WELLS AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, преимущественно к добыче вязкой и сверхвязкой нефти, а также может быть использовано для интенсификации добычи нефти, осложненной вязкими составляющими и отложениями.
Уровень техники
Известно большое количество способов интенсификации добычи, для указанной выше области применения, в которых используются различные методы физических воздействий для увеличения притока нефти в добывающих скважинах. Однако здесь рассмотрены те из них, в которых воздействия потенциально могут влиять не только на призабойную зону пласта, но и на сам пласт или даже на всю продуктивную залежь.
До недавнего времени термические методы ликвидации и предотвращения отложений, а также для стимуляции скважин не имели альтернативы при разработке нефтяных месторождений, содержащих высоковязкую нефть или нефть, осложненную отложениями. Самым изученным и распространенным среди термических методов является паро-циклическое воздействие на пласт. Однако неустранимым недостатком этой технологии является быстрое обводнение продуктивного пласта, т.к. для извлечения тонны битума закачивается 2,5-5 тонн пара, превращающегося в воду. Сильное обводнение делает добычу невыгодной. После извлечения около 20% запасов битума, количество воды в пласте становится близким к количеству нефти. Поэтому в настоящее время более перспективными являются способы нагрева при помощи электронагревателей.
Но кроме термических методов существуют и методы волнового воздействия на пласт. Волновые методы можно разделить на импульсные разового действия, низкочастотное и акустическое воздействие, в том числе ультразвуковое. Наибольшее применение находят методы воздействия на призабойную зону пороховыми газами, электрогидравлическим ударами, мгновенными депрессиями, а также вибрационные и акустические воздействия.
Большинство из известных способов используют тепловую и волновую энергию от разнообразных источников.
Известна волновая обработка скважин, охватывающая целый пласт, в котором излучатель волновой энергии устанавливается в одну из скважин и с его помощью осуществляется накачка волновой вибромеханической энергии в пласт. Недостатком этого способа является то, что он по принципу получения волновой энергии критичен к выбору скважины кандидата (требуется, чтобы вокруг не было препятствия для распространения волн), а также отсутствие или слабый термический эффект (см. [1] Кузнецов Р.Ю. Строительство и эксплуатация нефтяных и газовых скважин открытым забоем с использованием волновых технологий: проблемы, теоретические решения, промысловый опыт. Уфа. 2010. стр. 53).
Для интенсификации добычи высоковязкой и битуминозной нефти необходимо совмещение термического и волнового механического воздействия как, например, в способе, в котором используется вибромеханический и тепловой эффект с помощью пароциклической обработки с площадной закачкой пара в сочетании с волновым акустическим воздействием, например, с частотой ультразвука (см. [2] Месторождения высоковязких нефтей и битумов Тимано-Печерской провинции и перспективы их освоения с использованием современных комплексных технологий. Материалы 8-й Межрегиональной геологической конференции. 17-18 ноября 2010 г. Редкол. A.M. Шаммазов, и др. Науч. ред. и сост. А.В. Петухов. Уфа. 2010. стр. 192). Недостаток технологии: не удается получить приемлемые технико-экономические показатели из-за прорывов теплоносителя по высокопроницаемым каналам, карстовым полостям и кавернам, а на месторождениях, бывших в эксплуатации, и прорывов в старые скважины и горные выработки.
С целью дополнительной экономии энергических затрат, другие способы для получения термического и волнового воздействий используют электрическую энергию.
Известен способ интенсификации добычи, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах при котором осуществляют термическое воздействие с помощью нагревательных кабелей, использующих контактный механизм передачи тепловой энергии от теплового элемента в нагреваемую среду, и этот способ может быть использован в комплексе и с другими видами воздействий.
Устройства для реализации способа отличаются друг от друга конструкцией тепловыделяющего элемента. В кабелях фирмы «Райхем» нагревательным элементом является полимерно-угольный порошок между жилами кабеля, обладающий свойством саморегулирования температуры нагрева при пропускании через него тока (см. [3] Нагревательный кабель «Raychem» (http://mtravchem.ru/nagrevatelnyi-kabel-raychem, дата обращения 19.07.2012). В других конструкциях, (см. [4] патенте РФ 2167008, МПК В08В, Способ очистки нефтегазовых трубопроводов от парафиновых отложений и пробковых образований и устройство для его осуществления, опубл. 20.05.2001), использованы резистивные свойства самой жилы кабеля. В материалах предлагается также резистивно-индукционная система «кабель-ферромагнитная трубка» с использованием поверхностного (skin) эффекта протекания обратного тока в ферромагнитной трубке. Концентрация тока на внутренней поверхности трубки в свою очередь осуществляется за счет индукции поля, создаваемого переменным однофазным током кабеля, расположенного внутри трубки («скин-система»). Несмотря на то, что в материалах эти системы предлагаются как инновационные, они известны в уровне техники.
Общим недостатком описанных способов при использовании кабельных нагревательных систем является то, что они воздействуют только на лифт скважины и их ограниченность влияния на вязкость среды не только в призабойной зоне, но и на достаточной глубине скважины (более 1 км).
При применении «скин-систем» недостатком является также необходимость подключения мощной однофазной нагрузки к трехфазной сети через не менее мощную симметрирующую установку (подстанцию), распределяющую равномерно ток по всем фазам. Другими недостатками являются: низкий коэффициент мощности, зависимость режима работы от диаметра трубки, ее материала, и нелинейная зависимость от температуры.
Известна высокочастотная электромагнитная обработка скважин, охватывающая целый пласт, для чего его вскрывают, по крайней мере, одной нагнетательной и одной эксплуатационной скважинами, при которой излучатель волновой электромагнитной энергии, с помощью которого осуществляется накачка волновой энергии в пласт, устанавливается в одну из скважин. Недостатком этого способа является что он, в отличие от предыдущего способа, увеличивает подвижность пластового флюида за счет преимущественно нагрева и практически не обладает вибромеханическим (акустическим) действием, являющимся возможно, наиболее важным для увеличения проницаемости пласта (см. [5] патент РФ №2139415, Способ добычи полезных ископаемых, опубл. 10.10.1989). Другим недостатком является сложность технических устройств этого диапазона частот, при котором проявляются поглощающие свойства скважинной среды, и большие потери энергии, как в тракте передачи этой энергии, так и в самом излучателе.
Известен способ воздействия на призабойную зону пласта в процессе добычи нефти, включающий низкочастотное и высокочастотное виброакустическое, а также термическое воздействие, отличающийся тем, что проводят двухчастотное виброакустическое и термическое воздействие в процессе добычи нефти, для чего виброакустический источник и термоизлучатель размещают под электроприводом погружного насоса в интервале перфорации, а контроль за воздействием осуществляют по кабелю питания электропривода погружного насоса и кабельному подвесу, соединяющему виброакустический источник и термоизлучатель с электроприводом погружного насоса, причем воздействие проводят во время работы погружного насоса (см. [6] патент РФ №2267601, МПК Е21В 43/25, Способ и установка для воздействия на призабойную зону пласта в процессе добычи нефти, опубл. 10.01.2006).
Близок ему способ комбинированного высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ) воздействия в диапазоне резонансных частот ближней зоны и доминантных частот дальней зоны по максимальному акустическому отклику в ВЧ- и НЧ-диапазонах, в котором возбуждают скважинный акустический преобразователь импульсными электрическими сигналами ряда частот технологического диапазона. Преобразуют энергию импульсных электрических сигналов в энергию импульсов излучения акустических колебаний технологического диапазона частот, воздействующих на ближнюю продуктивную зону скважины, и в энергию акустических колебаний комбинационных разностных частот, воздействующих на дальнюю продуктивную зону скважины. Устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, многоканальное генераторное устройство и согласующее устройство, также содержащее геофизический кабель, соединенный со скважинным акустическим преобразователем, также содержащее устройство силового электропитания, подключенное входом к шинам электропитания (см. [7] патент РФ 2309247, МПК Е21В 43/16, Е21В 43/25, Способ акустического воздействия на продуктивную зону скважины по интервалам перфорации и устройство для его реализации, опубл. 27.10.2007).
Недостатком обоих способов ([6] и [7]) является необходимость подбора целого спектра частот индивидуально для всех зон пласта при необходимости перекрытия всего его объема (как в случае добычи вязкой нефти), что технически невозможно, а также низкая эффективность волнового воздействия.
Известны способы интенсификации добычи, которые используют для волнового воздействия также электрический способ доставки энергии на забой скважины и преобразование ее в необходимую для этого форму, например, в виде высоковольтного импульсного разряда, который возбуждает циклические волны сжатия, пульсирующую парогазовую полость (см. [8] Патент США 4345650, МПК Е21В 36/04, Е21В 43/00, Е21В 43/24. Process and apparatus for electrohydraulic recovery of crude oil, опубл. 24.08.1982). Недостатком этого способа является слабый термический эффект и низкая частота воздействия, препятствующая проникновению энергии в пласт из-за быстрого затухания.
Известен способ интенсификации добычи, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах при котором воздействуют упругими звуковыми волнами источника колебаний и отдельно электрическим нагревом путем пропускания тока по предварительно изолированной части колонны от электрического кабеля (см. [9] патент РФ 2097544, МПК Е21В 43/25, Е21В 28/00, Е21В 36/04, Способ увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора и устройство для его осуществления, опубл. 01.07.92).
Известен близкий предыдущему способ интенсификации добычи, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах путем волнового газодинамического воздействия на пласт, при котором используют полую штангу с магнитострикционными свойствами и за счет пропускания высокочастотного тока от кабеля внутри полой штанги, создают ультразвуковые и тепловые воздействия, и воздействуют одновременно взрывной волной от размещенных на конце штанги зарядов (см. [10] патент РФ 2298090, МПК Е21В 43/263, Способ и устройство газодинамического воздействия на пласт, опубл. 27.04.2007). Общим недостатком этих способов является низкая эффективность из-за слабости ультразвукового воздействия и ограниченность применения.
Известен также способ, при котором на пласт воздействуют комплексом ультразвуковых колебаний от отдельного источника и низкочастотным от электрического разряда (см. [11] патент РФ 2392422, МПК Е21В 43/16, Способ добычи нефти с использованием энергии упругих колебаний и установка для его осуществления, опубл. 28.04.2009). Однако недостатком этого способа является локальность воздействия в призабойной зоне пласта и невозможность влияния на поднимаемую нефть в лифте скважины, что ограничивает их применение на выработанных месторождениях с образованием в процессе добычи большого количества асфальтосмолистых, парафиновых и эмульсионных отложений, а также на месторождениях с высоковязкой и битуминозной нефтью.
Во всех перечисленных выше способах волновое воздействие осуществляется источниками разной степени интенсивности, но по принципу действия все они являются локальными, т.е. реализуются в виде каких-либо излучателей определенной конструкции, погружаемых в скважину. Общий недостаток: большие потери и рассеяние волновой энергии на начальном участке излучения, большой разброс частоты и несинхронность волновых воздействий при многоточечном воздействии, что не позволяет получать достаточно эффективное влияние на приток и подъем нефти.
Известен способ волнового воздействия, при котором в некоторой степени устраняются указанные выше недостатки, и заключающийся в том, что на поверхности или в вертикальных, и/или наклонных, и/или горизонтальных, и/или разветвленных скважинах размещают источники волновых колебаний. Создают с помощью источников волновых колебаний одновременно продольные и поперечные волны. С помощью этих волн осуществляют волновое воздействие на среду с залежью углеводородов. Согласно изобретению осуществляют волновое воздействие на среду с залежью углеводородов интерференционными волновыми полями с фронтами заданной конфигурации, образуемыми путем возбуждения продольных и поперечных волн в точках залежи углеводородов с временными задержками, пропорциональными расстоянию от точки возбуждения волн до каждой заданной точки залежи. При этом волновое воздействие фокусируют на область залежи с неподвижными и малоподвижными запасами углеводородов и реализуют синхронизированное многоточечное волновое воздействие, обеспечивающее статический эффект суммирования энергии импульсов волн (см. [12] Патент РФ 2361070, МПК Е21В 43/16, Способ волнового воздействия на залежь углеводородов, опубл. 10.07.2009). Недостатком этого способа является то, что волновое воздействие осуществляется с большими потерями энергии и так как колебания волн в самом импульсе имеют достаточно широкий разброс частоту, то наложение этих колебаний не дает энергетического эффекта объемного резонанса. Другим недостатком способа является отсутствие технических средств, позволяющих обеспечить сфокусированное воздействие в необходимой зоне.
Известен способ интенсификации добычи и борьбы с отложениями с помощью распределенного по скважине электроимпульсного ударно-волнового воздействия (см. [13] патент РФ 2471965, Е21В 37/00, Способ ликвидации и предотвращения образования асфальтено-смоло-парафиновых отложений и установка для его осуществления, опубл. 10.01.2013). При осуществлении способа, в НКТ на длину от устья до призабойной зоны или на глубину возможного формирования АСПО опускают кабель, на котором крепят электрические разрядники. На каждый из разрядников по кабелю подают от располагаемого на поверхности блока управления (БУ) импульсы или пакеты импульсов напряжения с необходимыми параметрами. Производят искровой или дуговой разряд с проявлением электро-гидроудара на любом из разрядников независимо от других разрядников или на любой выбираемой из их общего количества группе разрядников и локальный нагрев в месте разряда.
Несмотря на преимущества распределенного волнового действия этого способа, практика показывает, что для эффективного разрушения вязких отложений такого волнового действия оказывается недостаточно - необходимо добавочное тепловое действие.
Другим недостатком этого способа является ограничение дальности передачи энергии для импульсных разрядов через кабель ограниченного сечения и недостаточная для некоторых скважин глубина волнового воздействия.
Среди класса распределенных по глубине скважин электроимпульсных способов, использующих кроме разрядов еще и термическое действие этих импульсов, близким по технической сути к заявленному способу является способ интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах путем ликвидации отложений и повышения текучести вязких углеводородов в скважине и ПЗП, осуществляемый с помощью высокочастотного генератора и линии передачи электрической энергии в виде кабеля, погружаемого в скважину на глубину образования отложений, при котором генерируют в линии передачи высокочастотный электрический ток, воздействуют высокочастотным электромагнитным полем, созданным этим током на поверхность трубопроводов, и посредством этого осуществляют термическое, за счет индукционного высокочастотного нагрева, и акустическое, за счет электродинамических сил, воздействия на колонну труб, одновременно осуществляют непосредственное термо-акустическое воздействие на скважинную жидкость путем замыкания через нее высокочастотного тока на конце кабеля, при этом определяют диапазон частот, при котором выделяется максимальная термическая и акустическая мощность, как в колонне труб, так и в самой скважинной жидкости от высокочастотных токов линии и в скважинной жидкости (см. [14] Патент РФ 2248442, МПК Е21В 37/00, Е21В 36/04, Способ и устройство ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в нефтегазодобывающих скважинах, опубл. 20.03.2005).
Для усиления термического и акустического воздействий в описанном способе используют передачу высокочастотной энергии в импульсном режиме, способствующем созданию ударных механических колебаний в колонне труб по глубине скважины и созданию ударных волн в самой скважинной жидкости за счет того, что в импульсном режиме высокочастотный ток в жидкости приобретает характеристики разряда (см. [15] Бадамшин Р.А., Мельников В.И. Опытное скважинное оборудование для обработки при забойной зоны пласта и ликвидации отложений по всей глубине их образования. Успехи современного естествознания. 2004 - №5. с. 35-38).
Наиболее близким по технической сути является способ интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах путем ликвидации отложений и повышения текучести вязких углеводородов в скважине и ПЗП, который является развитием предыдущего способа и также использует распределенное волновое и термическое воздействие, а также использует для этой цели кабельную линию передачи энергии (см. [16] патент РФ 2520672, МПК Е21В 43/25, Е21В 43/24, Е21В 28/00, Е21В 36/00, Способ интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах и устройство для его реализации, опубл. 27.06.2014). В этом способе интенсификации добычи, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах используют кабельную линию для передачи импульсной энергии и последнюю получают путем коммутации емкостных накопителей энергии через согласующее устройство на эту кабельную линию, при этом создают интенсивное волновое воздействие в скважине или группе скважин за счет синхронизированного и распределенного по длине кабеля действия на скважинную среду импульсным электрическим разрядом с помощью технологических разрядников и на металл трубопроводов импульсным магнитным полем, создаваемым разрядным током в проводниках кабельной линии.
Недостатком способа является ограничение дальности передачи энергии для импульсных разрядов через кабель ограниченного сечения и недостаточная для многих скважин вследствие этого глубина волнового воздействия.
Раскрытие изобретения
Задачей заявленного изобретения является исключения вывода малодебитных скважин из эксплуатации, увеличение дальности передачи энергии для импульсных разрядов через кабель ограниченного сечения и увеличение глубины и интенсивности волнового воздействия по стволу скважины.
Техническим результатом заявленного изобретения является стимуляция скважин - повышение производительности и улучшение гидродинамического режима работы, а также уменьшение энергетических затрат.
Заявленная задача решается, а технический результат достигается за счет способа интенсификации добычи нефти, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах, включающий получение импульсной энергии путем коммутации емкостных накопителей энергии и передачу через согласующее устройство на кабель кабельной линии; при этом создают интенсивное волновое воздействие в скважине за счет синхронизированного и распределенного по длине кабеля импульсного электрического разряда на скважинную среду с помощью технологических разрядников, а также создают импульсное воздействие магнитным полем на металл трубопроводов, создаваемым разрядным током в проводниках кабельной линии; осуществляют срез импульсов напряжения, поступающих на вход кабеля от коммутации емкостного накопителя энергии после пробоя среды, технологическими разрядниками; используют индуктивность кабеля для ограничения разрядного тока и поддержания его в области высокого импеданса разрядного промежутка технологического разрядника; при этом за счет среза импульсов напряжения уменьшают их длительность, оставляя только их высокоэнергетическую часть действия, и увеличивают энергию волнового воздействия импульсных разрядов за единицу времени путем увеличения частоты повторения разрядов.
Технический результат также достигается за счет того, что длительность импульсов напряжения до их среза определяют для заданной длины кабеля до технологического разрядника по его экспериментальной вольт-секундной характеристике разряда в нефтяной среде и устанавливают на стадии проектирования устройства для его реализации.
Технический результат также достигается за счет того, что повышают энергию импульсов напряжения за счет формирования их в пакет из 2-100 импульсов и максимально уплотняют их в этом пакете для получения эффекта ударного волнового действия.
Технический результат также достигается за счет того, что увеличивают импеданс импульсной нагрузки путем замыкания импульсного тока через колонну труб, для чего катодные и анодные электроды технологических разрядников распределяют по длине кабеля, используют разряды электродов на колонну и воздействуют импульсным магнитным полем разрядного витка, образованного из жилы кабеля и проводника колонны труб, замкнутого токами разрядов в среде.
Технический результат также достигается за счет того, что электроды технологических разрядников устанавливают по длине кабеля в количестве кратном двум и разрядные витки образованные каждой парой электродов разрядников соединяют последовательно, для увеличения интенсивности от объемного резонанса при синхронном действии разрядов технологических разрядников.
Технический результат также достигается за счет того, что усиливают воздействие импульсным магнитным полем самого кабеля на разрядные токи в среде, для чего организуют канал разряда в поперечном к оси кабеля направлении и усиливают магнитное поле вблизи разрядных электродов для усиления интенсивности ударного волнового воздействия за счет создания дополнительных сил в среде в зоне разряда.
Взаимодействие перечисленных признаков позволяет увеличить дальность передачи высокой энергии импульсных разрядов на расстояние через кабель ограниченного сечения за счет коротких высоковольтных импульсов напряжения, и увеличить интенсивность волнового действия этих разрядов за счет уплотнения их в пакет. Увеличение дальности осуществляется за счет увеличенной несущей способности коротких импульсов напряжения и малых потерь энергии при их передаче, а выделение с помощью этой энергии интенсивного волнового воздействия путем преобразования энергии высокого напряжения в волну давления за счет удержания разряда и преимущественного выделения энергии в быстро протекающей стадии поляризации и ионизации среды при высоком разрядном импедансе.
При этом высокий импеданс разрядного контура формируется также и за счет включения в его состав сопротивления металла колонны труб, увеличенного за счет поверхностного эффекта от быстрого и резкого изменения магнитной индукции.
При этом сверх эффект основывается на том, что для коротких импульсов напряжения электрическая стойкость изоляции многократно превышает стойкость на непрерывном напряжении, кроме того есть диапазон длительностей импульсов, для которых наблюдается аномально высокая прочность изоляции, когда скорость передачи энергии короткими импульсами опережает скорость формирования пробоя изоляции и появления необратимой деструкции. Такой способ позволяет передать энергию по кабелю одного сечения многократно превышающую энергию передачи на постоянном или переменном токе.
Новый эффект от предпочтительной реализации: проявление ударного волнового действия, создаваемым и усиленным уже самим импульсным пакетом за счет интенсивного волнового воздействия с помощью наложения волн от повторяющихся с высокой частотой пробоев среды.
При способе, в котором для усиления интенсивности ударного волнового воздействия, усиливают импульсное магнитное поле самого кабеля в области разряда и осуществляют разряд в поперечном к оси кабеля направлении, также появляется новый результат усиления волны давления за счет появления дополнительных сил на сам канал разряда от воздействия магнитного поля.
Заявленная задача решается, а технический результат достигается за счет устройства интенсификации добычи нефти, ликвидации и предотвращения отложений в нефтегазодобывающих и нагнетательных скважинах, представляющего собой
- высокочастотный генератор импульсов, содержащий
по меньшей мере, один емкостный накопитель,
источник питания постоянного тока для заряда емкостного накопителя,
разделительный дроссель,
импульсный трансформатор с насыщающимся магнитным сердечником или дроссель с насыщающимся магнитным сердечником,
коммутатор, подключенный к цепи из последовательно включенных емкостного накопителя и импульсного трансформатора или емкостного накопителя и дросселя с насыщающимися магнитными сердечниками,
диод;
- высокочастотный генератор импульсов подключен к передающей кабельной линии с технологическими разрядниками в виде электродов, установленными в скважине и имеющими связь со скважинной средой;
- при этом все элементы устройства соединены в разрядную схему, отделенную от источника питания постоянного тока разделительным дросселем, причем нагрузкой разрядной схемы для разряда емкостного накопителя является кабельная линия передачи энергии вместе с технологическими разрядниками, электроды которых подключены к жилам кабельной линии, и в котором разрядная схема настроена таким образом, что импульсный трансформатор или дроссель с насыщающимися магнитными сердечниками имеют вольт-секундную характеристику насыщения, согласованную при заданной длине кабеля с вольт-секундной характеристикой технологического разрядника в нефтяной среде, определяемую при заданном напряжении площадью сечения магнитного сердечника, индукцией насыщения и числом витков, причем указанные параметры определены из условия максимальной длительности ненасыщенного состояния магнитного сердечника, но не более времени пробоя среды технологическим разрядником до искрового разряда, причем выходными концами разрядной схемы для подключения кабельной линии служат концы вторичной обмотки импульсного трансформатора или концы дросселя с насыщающимся магнитным сердечником и (или) концы обмоток разделительного дросселя.
Технический результат также достигается за счет того, что коммутатор выполнен в виде транзистора или тиристора или газового разрядника или тиратрона.
Такое выполнение устройства и согласование его с вольт-секундной характеристикой технологического разрядника и параметрами кабельной линии передачи (индуктивностью) дает новый результат, заключающийся в том, что при работе устройства обеспечивается устойчивость разряда технологического разрядника в высоко энергетической области его вольт-амперной характеристики с быстро меняющимися параметрами и за счет этого эффекта обеспечивается реализация способа и решение поставленной задачи
Технический результат также достигается за счет того, что для создания пакета импульсов, повторяющихся с высокой частотой, оно содержит два емкостных накопителя, один из которых установлен на входе схемы перед разделительным дросселем и выполнен с возможностью накопления энергии заряда не меньше суммарной энергии пакета разрядных импульсов и второй емкостный накопитель, установленный после разделительного дросселя, при этом второй емкостный накопитель разрядной схемы выполнен с возможностью накопления энергии, достаточной для энергии одного разрядного импульса, причем выходными концами устройства являются концы вторичной обмотки импульсного трансформатора или концы обмотки дросселя с насыщающимися магнитными сердечниками.
Такое исполнение устройства позволяет реализовать способ и решить поставленную задачу с использованием нового эффекта, обеспечиваемый гибридизацией устройства и использованием индуктивности кабельной линии, которая является во всех известных кабельных технологиях паразитным и препятствующим реализации технологии параметром в полезную нагрузку, повышающую интенсивность и объемность волнового воздействия.
Новым результатом устройства является его способность реализации способа с увеличенной интенсивностью ударной волны за счет ее частотной модуляции.
Технический результат увеличения интенсивности волнового воздействия также достигается за счет того, что обмотки разделительного дросселя и импульсного трансформатора соединены следующим образом - либо выходные концы, подключенные к разделительному дросселю соединены последовательно с вторичной обмоткой импульсного трансформатора, либо, в случае применения вместо него дросселя с насыщающимся магнитным сердечником, концы обмоток последнего подключены последовательно с дополнительной обмоткой, индуктивно связанной с обмоткой разделительного дросселя.
Новый результат этого устройства обеспечивается за счет преимущественного выделения энергии в первой полуволне импульсов напряжения и соответствующего увеличения импульсной мощности в пакете импульсов.
Технический результат усиления интенсивности волнового воздействия также достигается за счет того, что коммутатор подключен к разрядной схеме через диод, при этом параллельно цепи, образованной коммутатором и диодом, включен обратный диод через дополнительную обмотку, индуктивность которой выбрана из условия обеспечения времени протекания тока через обратный диод, достаточного для восстановления блокирующих свойств коммутатора, например для деионизации коммутирующего газового разрядника.
Новым результатом является возможность получения с помощью этого устройства высоковольтных импульсов с энергетическими характеристиками обеспечивающих технологический эффект и создание интенсивной ударных волн в нефтяной среде наиболее высокой надежностью и экономичным с точки зрения потерь энергии способом.
Технический результат также достигается тем, что кабельная линия содержит участки с разрывом по концам участка одной из жил кабеля таким образом, что эта жила исключена из проводимости кабеля, а на примыкающих к этому участку концах жилы установлены электроды технологического разрядника с возможностью контакта с окружающей кабельную линию передачи средой.
Этот результат обеспечивается новым эффектом от реализации способа с объемно распределенными и синхронизированными источниками волнового воздействия со сверх суммарной интенсивностью от объемного резонанса волн.
Технический результат сверхинтенсивного воздействия достигается в устройстве, в котором в зоне электродов технологических разрядников содержатся кольца из магнитного материала, например, феррита, одетых на кабель со стороны разомкнутой и исключенной для протекания тока жилы кабельной линии, причем магнитные кольца для исключения насыщения выполнены с зазором.
Новым эффектом для достижения результата этого устройства является возможность реализации способа с ускорением волны давления вдоль скважины, т.е. создание волны давления направленного действия.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Схема генерирования и передачи импульсной энергии до технологических разрядников и подключение кабеля.
Фиг. 2 Схема подключения электродов технологических разрядников.
Фиг. 3 Вид технологического разрядника с эффектом давления магнитного поля
Фиг. 4 (а, б, в) показывает варианты исполнения схем генераторов.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - генератор импульсов; 2 - кабельная линия; 3 - обсадная (эксплуатационная) колонна; 4 - насосно-компрессорная труба; 5 - технологический разрядник, 6 - сальниковое устройство; 7 - жилы кабельной линии; 8 - электрод технологического разрядника; 9 - диэлектрическая оснастка разрядника; 10 - магнитный сердечник; 11 - емкостный накопитель для накопления энергии пакета импульсов; 12 - емкостный накопитель для накопления энергии одного импульса в пакете; 13 - управляемый газоразрядный прибор (коммутатор); 14 - диод, блокирующий протекание обратного тока через коммутатор; 15 - обратный диод; 16 - разделительный дроссель; 17 - импульсный трансформатор с насыщающимся магнитным сердечником; 18 - импульсный трансформатор управления; 19 - схемное изображение кабельной линии вместе с подключенными к ней технологическими разрядниками, 20 - дополнительная обмотка разделительного дросселя; 21 - дроссель с насыщающимся магнитным сердечником.
Осуществление изобретения
В заявленном изобретении в способе осуществляется волновое и термическое воздействие формируемое и синхронизированное в среде и в металле колонны труб скважины.
В одном из вариантов осуществления способ реализуется следующим образом (Фиг. 1).
Для создания термического интенсивного волнового воздействия с характеристикой ударной волны используют емкостные накопители энергии (11 и 12) и кабельную линию (2), содержащую одну или более проводящие жилы (7), и с установленными по ее длине в скважине технологическими разрядниками (5) в виде электродов (8), подключенных к проводящим жилам (7) кабельной линии (2) и имеющих связь со скважинной средой или другой подготовленной жидкостью, а воздействия создают путем разряда через эту кабельную линию на указанные выше технологические разрядники с емкостных накопителей энергии, заряженных до напряжения пробоя среды. При этом предварительно, экспериментально определяют вольт-амперные характеристики разряда в скважинной среде технологических разрядников (5) с учетом их работы через определенную длину (например, 1500, 2000 и 2500 метров) передающей кабельной линии, и согласовывают с ней вольт-секундную характеристику импульсного трансформатора (17) с насыщающимся магнитным сердечником. Вольт-секундные характеристики импульсного трансформатора (17) устанавливают так, чтобы он имел максимальную длительность ненасыщенного состояния своего магнитного сердечника (10), но не более максимальной длительности начала искровой стадии пробоя среды во всех технологических разрядниках.
Вместо импульсного трансформатора (17) с насыщающимся магнитным сердечником может быть применен дроссель с насыщающимся магнитным сердечником (21), т.е. устройство, имеющее магнитный сердечник и всего одну обмотку.
В скважину, оборудованную установкой штангового насоса (УШГН) или винтового насоса (УШВН) погружают кабельную линию (2) передачи энергии, содержащую, например, две проводящие жилы. Кабельная линия для этой цели может быть снабжена грузонесущей основой, например в виде стального троса, размещенного по центру кабеля. Кабельная линия также снабжена технологическими разрядниками (5), конструкция которых изображена на Фиг. 3. В наземной части (устье) скважины жилы (7) кабельной линии (2) подключены к генератору (1) с помощью двух изолированных проводников, Две жилы (7) кабельной линии передачи энергии (2) другими концами подключена в разрядную цепь одного из генераторов (1). Одна или обе из жил (7) (Фиг. 2) имеют разрывы, подключенные к электродам (8), имеющему охранные изолирующие кольца (9) (диэлектрическая оснастка разрядника) (Фиг. 3), предохраняющие от прямого контакта с металлом скважины и обеспечивающему замыкание импульсного тока путем импульсного разряда через скважинную жидкость на металл трубопроводов скважин или между электродами. При этом электродов (8) может быть более 2.
Для скважин с открытым забоем используют специальную колонну труб (лучше гибкой конструкции, для возможности использования на горизонтальных скважинах, чаще применяемых для добычи вязкой нефти) с заранее смонтированной кабельной линией передачи и закрепленной на наружной или внутренней поверхности трубы.
Далее осуществляют разряд емкостного накопителя энергии (12) через импульсный трансформатор (17) и кабельную линию (2) в среде с помощью технологических разрядников (5) и воздействуют на скважинную среду импульсным электрическим разрядом и на металл трубопроводов импульсным магнитным полем, создаваемым разрядным током в проводниках кабельной линии.
Импульсный трансформатор (17) с установленной вольт-секундной характеристикой осуществляет после пробоя среды технологическими разрядниками (5) согласованный с параметрами кабеля и технологическими разрядниками срез импульсов напряжения таким образом, что отсекает этот импульс напряжения на стадии нарастающего разрядного тока в кабеле в области перехода разрядной нагрузки от высокого импеданса к низкому, а индуктивность кабеля ограничивает разрядный ток и поддерживает его в области высокого импеданса разрядного промежутка технологического разрядника.
При этом срез импульсов напряжения на входе кабельной линии передачи энергии осуществляется, когда рабочая точка разряда в среде находится или на спаде вольтамперной характеристики или в начале искровой стадии разряда во всех технологических разрядниках, т.е. в точках наибольшей мгновенной мощности отдачи в них энергии разряда, и за счет индуктивности кабельной линии (2) и накопленной в ней магнитной энергии увеличивается длительность этой стадии разряда в технологических разрядниках, протекающих по некоторой возвратной гистерезисной кривой вольтамперной характеристики.
2
Передача энергии осуществляется на высоком напряжении, обеспечивающем передачу с малыми потерями. Кроме того, импульсный режим позволяет увеличить плотность передаваемой энергии на расстояние через кабель ограниченного сечения за счет увеличенной несущей способности коротких импульсов и значительного повышения уровня энергии в них. Этот тезис основывается на том, что для коротких импульсов напряжения электрическая стойкость изоляции многократно превышает стойкость на непрерывном напряжении, кроме того есть диапазон длительностей импульсов, для которых наблюдается аномально высокая прочность изоляции, когда скорость передачи энергии короткими импульсами опережает скорость формирования пробоя изоляции до необратимой деструкции. Экспериментальные исследования показали, что такой способ позволяет передать энергию по кабелю диаметром 13 мм вместе с грузонесущей броней и сечением 5 мм на забой скважины (2,5 км) до 100 кВт мощности.
При этом преимущественно передается энергия электрического поля, а выбранная и зафиксированная с помощью указанных выше приемов стадия разряда как нельзя лучше подходит для согласования ее как нагрузки с таким способом передачи, так как на данной стадии поглощение энергии осуществляется также за счет энергии электрического поля, а та часть электрической энергии, которая преобразовалась в магнитную энергию кабеля, обеспечивает продление этой стадии разряда.
Вследствие передачи и потребления энергии с помощью импульсов высокого напряжения волновое воздействие осуществляется без существенных потерь на большем расстоянии, соответственно и на большей глубине.
Указанные выше приемы в реализации способа дают определенную степень свободы и для существенной интенсификации волнового воздействия, которые нашли отражение в следующих модификациях способа.
Многочисленными исследованиями установлено, что указанная стадия разряда характеризуется способностью к практически безынерционному созданию волны давления за счет эффекта электрострикции от поляризации и ионизации среды и единственным препятствием для использования этой стадии разряда с целью создания волнового воздействия с характеристикой ударных волн является ее малая длительность. Продление этой стадии разряда и увеличение энергии волнового воздействия импульсных разрядов за единицу времени достигают в варианте способа путем увеличения частоты повторения разрядов и затягивания ее в импульсной стадии с помощью индуктивности кабеля.
В оптимальном варианте исполнения такого способа интенсификации добычи и борьбы с АСПО для получения эффекта ударного волнового действия повышают энергию импульсов напряжения за счет формирования их в пакет из 2-100 импульсов и максимально их уплотняют в этом пакете.
Таким образом, речь идет о модификации способа, в котором разрядный импульс формируется за счет пакета более быстрых (намного более коротких) и высокоэнергетических импульсов напряжения.
Эффективность такого способа реализуется за счет формирования разряда из серии следующих друг за другом подразрядов в ограниченной индуктивностью кабеля области емкостного Е-разряда, в области разряда типа коронного и пред искрового разряда, а ударную волну получить за счет суммарной энергии и очень большой (вследствие того, что эти типы разрядов имеют высокий импеданс при нарастающем токе) мгновенной мощностью (т.е. волну высокой интенсивности получить за счет наложения волн подразрядов).
Существенное увеличение объема источников волнового синхронизированного воздействия в скважине как за счет увеличения объема среды, находящейся под воздействием разрядов, так и формирования последних в металле труб, осуществляется в способе, в котором воздействие осуществляют группой технологических разрядников и в котором увеличивают импульсную нагрузку путем замыкания импульсного тока через эти технологические разрядники на колонну труб, для чего катодные и анодные электроды технологических разрядников распределяют по длине кабеля, используют разряды электродов на колонну для воздействия импульсным магнитным полем разрядного витка, образованного из жилы кабеля и проводника колонны труб, замкнутого токами разрядов в среде.
Последний вариант способа еще более эффективен, когда для усиления интенсивности ударного волнового воздействия за счет создания дополнительных сил в среде в зоне разряда, усиливают воздействие импульсным магнитным полем самого кабеля на разрядные токи в среде, для чего организуют канал разряда в поперечном к оси кабеля направлении и усиливают магнитное поле в близи разрядных электродов.
Проявление эффекта действия дополнительных сил со стороны магнитного поля на среду в зоне описываемого выше разряда требует некоторых пояснений.
Чаще всего, эффект воздействия магнитного поля применяют к токам движущихся зарядов или токов проводимости и объясняют силой Лоренца и вытекающей из нее, как следствие, силой Ампера, причем часто объясняют этот эффект как самостоятельный закон, независимый от полевой теории.
Однако правильная трактовка силы Лоренца вытекает из полевой теории, которая считает, что поле имеет энергию и импульс, и формулируется таким образом, что сила Лоренца есть частный случай более общей силы, определяемый как градиент энергии магнитного поля, и в этом частном случае изменяемой движущимся зарядом. Но магнитное поле может изменяться не только от токов проводимости, но и токов смещения. Таким образом, правильное определение сил в зоне поперечного разряда сводится к расчету градиентов энергии, которые появляются независимо от характера разряда (т.е. не только при искровом или дуговом разряде) и они возникают обязательной необходимостью при реализации способа, в котором форма разряда в скважине - это поперечный к оси кабеля разряд через жидкость на колонну, которая в зоне разряда используется как обратный проводник. Разряд любого типа (емкостный, коронный, искровой) изменяет магнитное поле в зоне разряда таким образом, что создает градиент энергии результирующего магнитного поля поперек разряда, а это и есть сила согласно ее определению в физике как градиента энергии, которая выдувает канал разряда вдоль оси кабеля.
Еще более эффективным является вариант способа, при котором для накачки магнитной энергии в витках, образованных жилами кабеля, проводником колонны труб и токами разрядов в среде и увеличения эффективности импульсного давления магнитного поля на металл и на среду в зоне протекания токов разрядов, пакет импульсов формируют из разно полярных импульсов напряжения в виде полной волны, но с преимущественным выделением энергии в первой их полуволне.
Эффективность способа при этом осуществляется за счет накачки и резкого скачкообразного нарастания разрядного тока в первой полуволне импульсов и медленному спаду во второй полуволне, что приведет к продлению импульса тока в высокоэнергетической стадии разряда и тем самым к накачке энергии в пакете разрядов.
Сверхсуммарный эффект достигается в способе, в котором с целью увеличения интенсивности от объемного резонанса при синхронном действии разрядов технологических разрядников, электроды последних устанавливают по длине кабеля в кратном двум количестве и разрядные витки образованные каждой парой электродов разрядников соединяют последовательно.
Увеличение числа разрядников при реализации этого способа, синхронизация их работы дает эффект резкого (нелинейного) усиления интенсивности волнового воздействия от объемного резонанса при наложении синфазных колебаний, при этом индуктивность разрядных витков обеспечивает синхронное включение всех разрядников. Последнее иллюстрируется Фиг. 2 где показано, что путь тока проходящего через все разрядники имеет минимальную индуктивность.
Эффект резкого усиления звуковой волны объясняется тем, что вынужденные механические колебания участков колонны труб в скважине и волны давления в среде в этом диапазоне создают синфазные звуковые волны, и сам эффект непосредственно обусловлен их свойствами.
2
Наложение синфазных волн (более двух) при сложении приводит к более четкой интерференционной картине из-за возрастания амплитуды, а интенсивность результирующей волны превышает сумму интенсивностей слагаемых волн в n раз, где n-количество источников (т.е. интенсивность пропорциональна n).
Таким образом, результирующая звуковая волна в результате отражений и наложений от источников, распределенных по всей поверхности трубопроводов скважины, разрядных контуров будет иметь локальную интенсивность (пропорциональную квадрату амплитуды избыточного давления), многократно превышающую суммарную интенсивность звуковых волн от всех источников. Одновременно фронты таких волн при увеличении объема источников будут более крутыми, а сами волны приближаться по свойствам к ударным волнам. При реализации способа все задействованные в способе разрядные контура создают синфазные результирующие волны, а те в свою очередь взаимно усиливаются за счет их наложения. Одновременно в скважине объем жидкости, попавший под действие высокочастотных импульсных разрядов от каждого электродного наконечника технологических разрядников, также является источником интенсивных звуковых волн, синфазных как между собой, так и с волнами, излучаемым при вибрации металла. Так как импульсный высокочастотный разряд в этом диапазоне частот осуществляется за счет объемной поляризации (известный в физике как Е-разряд) и создаваемые волны сжатия-разрежения обусловлены резким изменением плотности поляризующейся среды этого объема, то в создании этих источников задействованы достаточно большие объемы жидкости. Усиление интенсивности результирующей волны в пласте от этого воздействия уже пропорционально объему скважины, так как пропорционально увеличивается суммарный объем скважинной жидкости, являющейся объемно распределенным источником синфазных волн, т.е. происходит объемный резонанс и формирование в этом объеме ударной волны.
Особую роль для осуществления этого способа играет и распределение нагрева по объему среды внутри трубопроводной системы скважин, обусловленную индукцией магнитного поля разрядных витков. Собственно, объемный нагрев вязкой среды до технологических температур, снижающий вязкость до значений не только достаточных для ее перекачки, а до состояния жидкости, упругие свойства которой являются определяющими для уменьшения поглощения звуковых волн от объемно распределенных источников и аккумулирования волновой энергии вследствие их суммирования и взаимного усиления из-за объемного резонанса позволяет передать эту аккумулированную энергию на большую глубину в том числе и в пласт, где она по известным физическим законам преобразуется на уменьшение адгезии нефти к породе, уменьшение сдвиговой вязкости, повышение пористости пласта и другими эффектами, увеличивающими приток нефти в скважинах. Кроме того, особую значимость имеет так называемый «эффект памяти», когда нагретая нефть под действием интенсивного волнового воздействия в течение определенного времени, достаточное для ее подъема на поверхность сохраняет свои мало вязкие свойства после остывания.
Такая особенность способа, заключающаяся в возможности аккумулирования и усиления волновой энергии объема скважин и трубопроводам, выгодно отличает и создает преимущества по сравнению с приведенным выше аналогичным способом (см. [13]), где также используется многоразрядное воздействие распределенных по глубине скважин, но там эти разрядники работают поочередно и объемный резонанс от их работы невозможен.
По сравнению с нагревательными кабелями и нагревателями других типов описанный способ имеет главное преимущество, которое с точки зрения нагрева, заключается в формировании источников тепла непосредственно в металле и за счет разрядов в среде скважин без тепловой перегрузки изоляции кабеля и на порядок большей удельной мощности.
По сравнению с системами непрерывного высокочастотного индукционного нагрева, заявленный способ имеет также существенные преимущества. Импульсный режим дает возможность пропорционально уменьшению длительности импульса увеличить энергию самого импульса. Меньшая длительность импульсов определяет высокую частоту изменения тока в импульсе. Высокая энергия и высокая частота в импульсе тока создают синергетический эффект увеличения потока мощности с единицы длины линии передачи энергии, что собственно и дает возможность для нагрева массивных труб одним или двумя проводниками, проложенными вдоль трубопровода. В стандартном высокочастотном нагреве для этого потребовалось бы обмотка из витков провода вокруг трубы с определенной плотностью намотки.
Заявленный способ реализуется устройством, содержащим, по крайней мере, одни емкостный накопитель, разделительный дроссель, источник питания постоянного тока для заряда емкостного накопителя, коммутатор, например, в виде транзистора, тиристора, газового разрядника или тиратрона, подключенный к последовательно включенным емкостному накопителю и импульсному трансформатору с насыщающимся магнитным сердечником или заменяющему его дросселю с насыщающимся магнитным сердечником, передающую кабельную линию, которые соединены в разрядную схему, отделенную от источника питания постоянного тока разделительным дросселем, причем нагрузкой разрядной схемы для разряда емкостных накопителей является кабельная линия передачи энергии вместе с технологическими разрядниками, электроды которых подключены к жилам кабельной линии, и в котором разрядная схема настроена таким образом, что магнитный сердечник импульсного трансформатора или дросселя имеет вольт-секундную характеристику насыщения, согласованную при заданной длине кабеля с вольт-секундной характеристикой технологического разрядника в нефтяной среде, определяемую при заданном напряжении площадью сечения магнитного сердечника, индукцией насыщения и числом витков, причем указанные параметры определены из условия максимальной длительности ненасыщенного состояния магнитного сердечника, но не более времени пробоя среды технологическим разрядником до искрового разряда, причем выходными концами разрядной схемы для подключения кабельной линии служат концы вторичной обмотки трансформатора и (или) концы обмоток дросселя насыщения.
Такое выполнение устройства и согласование его с вольт секундной характеристикой технологического разрядника и параметрами кабельной линии передачи (индуктивностью) дает новый результат, заключающийся в том, что при работе устройства обеспечивается устойчивость разряда технологического разрядника в высоко энергетической области его вольтамперной характеристики с быстро меняющимися параметрами и за счет этого эффекта обеспечивается реализация способа и решение поставленной задачи.
Рассмотрим вариант, когда кабельная линия подключена только к вторичной обмотке импульсного трансформатора или обмотке заменяющего его дросселя с насыщающимися магнитными сердечниками (на фиг. 4 такое подключение не показано, но из изображения схемы такое подключение понятно).
Таким образом, кабельная линия передачи энергии подключена непосредственно к срезающему устройству на базе импульсного трансформатора или заменяющего его дросселя с замкнутыми ферритовыми сердечниками. Вольт-секундная характеристика насыщения сердечников выбрана таким образом, что этот импульсный трансформатор или заменяющий его дроссель пропускают при заданном напряжении импульсы определенной длительности и срезают низкоэнергетическую (спадающую) часть импульса. Вольт-секундная характеристика ДН определяется по формуле U=Внас*S*W/Тимп, гле Внас - индукция насыщения, S - площадь сечения магнитного сердечника, W - число витков.
При срабатывании разрядника - коммутатора начинается разрядный процесс, при котором на начальном этапе индуктивность импульсного трансформатора или дросселя очень велика и не влияет на процесс разряда до того момента, когда магнитный сердечник импульсного трансформатора или заменяющего его дросселя насыщается. Расчетная или экспериментально подобранная точка насыщения должна быть подобрана к моменту, когда импульс напряжения после некоторого "плато" перейдет к медленно спадающему (из-за индуктивности кабеля) участку. В момент насыщения магнитный сердечник теряет магнитные свойства, и импульсный трансформатор (или заменяющий его дроссель) переключается в режим малой остаточной индуктивности. Неизрасходованная энергия конденсатора канализируется в остаточную индуктивность импульсного трансформатора (или дросселя), а затем поступает на перезаряд конденсатора. После чего цикл повторяется с отрицательным импульсом.
За время действия импульса на входе кабельной линии рабочая точка разряда быстро перемещается по вольтамперной характеристике (ВАХ) при быстро нарастающем токе до нижней точки ВАХ, определяющей начало искрового разряда, после чего уже при медленно спадающем токе перемещается в область высокого импеданса разрядного промежутка по некоторой гистерезисной кривой, проходящей несколько ниже прямой ВАХ (рис. 3.1, Глава 3 «Высокочастотный разряд и его характеристики», «Знакомство с вакуумно-технологической установкой ионно-химического травления индуктивно связанной плазмой», электронное учебное пособие).
По сути, накопителем импульсной энергии является нелинейный резонансный контур, который импульсами отдает энергию в нагрузку в такт собственным колебаниям, которые отличаются от колебаний линейного контура только тем, что имеют участки замедления и участки ускорения колебательного процесса.
Применение устройства (Фиг. 4), укорачивающих и уплотняющих импульсы, позволяет реализовать способ, в котором решается проблема передачи энергии разряда на расстояние через кабель ограниченного сечения за счет увеличенной несущей способности коротких импульсов и значительного повышения уровня энергии в них.
Исполнение устройства позволяет реализовать способ и решить поставленную задачу с получением нового результата, обеспечиваемый гибридизацией устройства и использованием индуктивности кабельной линии, которая является во всех известных кабельных технологиях паразитным и препятствующим реализации технологии параметром в полезную нагрузку, повышающую интенсивность и объемность волнового воздействия.
Поставленная задача решается с еще большей эффективностью с помощью устройства для создания пакета импульсов, повторяющихся с высокой частотой, для чего он содержит два емкостных накопителя, один из которых установлен на входе схемы перед разделительным дросселем и выполнен с возможностью накопления энергии заряда не меньше суммарной энергии пакета разрядных импульсов и второй емкостный накопитель, установленный после разделительного дросселя, при этом второй емкостный накопитель разрядной схемы выполнен с возможностью накопления энергии, достаточной для энергии одного разрядного импульса, причем выходными концами устройства являются концы вторичной обмотки импульсного трансформатора или концы обмотки заменяющего его дросселя с насыщающимися магнитными сердечниками.
Устройство работает следующим образом. Емкостный накопитель (11) (который может быть выполнен в виде накопительного конденсатора) (Фиг. 4) заряжается от зарядного устройства. Одновременно через разделительный дроссель (16) заряжается другой емкостный накопитель (12). Емкостный накопитель (11) и емкостный накопитель (12) выбраны из условия достаточности энергии для пакета импульса в целом для первого и достаточности энергии для отдельного импульса во втором. При подаче управляющего импульса на управляемый разрядник (13) (коммутатор) последний включается и происходит инверсное подключение заряженного емкостного накопителя (12) к первичной обмотке импульсного трансформатора. Начиная с этого момента емкостный накопитель (12) разряжается на кабельную линию и подключенную к ней нагрузки в виде разрядного контура (Фиг. 2) по цепи жилы кабеля (7) - анодный электрод разрядников - металл колонны труб - жила (7) кабеля. Во время протекания обратной полуволны тока через обратный диод (15) коммутатор (13) восстанавливает свою электрическую прочность к напряжению. За это время на обмотке разделительного дросселя (16) формируется однополярный импульс близкий к прямоугольному, но с косо падающей вершиной, а на выходе импульсного трансформатора (17) двух полярный импульс, прямая и обратная полуволны которого также близки по форме к прямоугольному и также имеют падающий скос вершин. Обратная полуволна имеет меньшую амплитуду из-за потери энергии импульса на нагрузке.
Новым результатом устройства является его способность реализации способа с увеличенной интенсивностью ударной волны за счет ее частотной модуляции.
Для реализации способа с высокоинтенсивным и объемным воздействием устройство выполнено так, что кабельная линия содержит участки с разрывом по концам участка одной из жил кабеля таким образом, что эта жила исключена из проводимости кабеля, а на примыкающих к этому участку концах жилы установлены электроды (8) технологического разрядника (5) с возможностью контакта с окружающей кабельную линию передачи средой.
Такое выполнение устройства и согласование его вольт секундной характеристики параметрами кабельной линии передачи, т.е. согласование длительности импульса со скоростью нарастания тока, определяемой индуктивностью кабельной линии передачи, дает новый эффект, заключающийся в обеспечении устойчивости разряда технологического разрядника в области отрицательного динамического сопротивления его вольтамперной характеристики с быстро меняющимися параметрами и за счет этого эффекта обеспечивается реализация способа.
Для реализации способа с еще более интенсивным воздействием выходные концы устройства, к которым подключена кабельная линия с разрядниками, соединены последовательно и согласно следующим образом - либо выходные концы, подключенные к разделительному дросселю соединены последовательно со вторичной обмоткой импульсного трансформатора, либо, в случае применения вместо импульсного трансформатора дросселя с насыщающимся магнитным сердечником, обмотка последнего подключена последовательно с дополнительной обмоткой, индуктивно связанной с обмоткой разделительного дросселя.
Наложение однополярных и двух полярных импульсов одинаковой длительности приводит к тому, что в первой половине они суммируются, а во второй вычитаются. Путем подбора числа витков обмоток элементов, участвующих в генерировании можно подобрать режим, когда во второй половине результирующий импульс равен нулю или даже отрицателен. Таким образом, формируются короткие импульсы умноженного напряжения с преимущественной энергией в первой полуволне, которые можно использовать для накачки магнитной энергии в индуктивный контур, в том числе для накачки магнитной энергии в разрядные контуры кабельной линии. Поскольку магнитная энергия разрядных контуров участвует в создании волнового и термического действия то это резко повысит производительность уничтожения отложений в скважине при сохранении свойств и преимуществ передачи высокой энергии по кабельной линии короткими импульсами.
Устройство, содержащее задающий генератор для управления коммутатором во время генерирования пакета импульсов с возможностью изменения частоты коммутации в пакете имеет результатом стабилизацию амплитуды импульсов в пакете.
Устройство для реализации способа, который содержит газовый коммутатор, например, тригатрон или тиратрон, подключенный к разрядной схеме через высоковольтный диод и параллельно цепи, образованной коммутатором и диодом, включен обратный диод через дополнительную обмотку, индуктивность которой выбрана из условия затягивания времени протекания тока через обратный диод, достаточного для восстановления и деионизации газового разрядника.
Новым результатом является возможность получения с помощью этого устройства высоковольтных импульсов с энергетическими характеристиками обеспечивающих технологический эффект и создание интенсивной ударных волн в нефтяной среде наиболее высокой надежностью и экономичным с точки зрения потерь энергии способом.
Устройство, в котором кабельная линия содержит участки с разрывом по концам участка одной из жил кабеля таким образом, что эта жила исключена из проводимости кабеля, а на примыкающих к этому участку концах жилы установлены электроды технологического разрядника с возможностью контакта с окружающей кабельную линию передачи средой.
Новым результатом устройства является возможность реализации способа с объемно распределенными и синхронизированными источниками волнового воздействия со сверх суммарной интенсивностью от объемного резонанса волн.
Устройство, которое в зоне разрядных электродов технологических разрядников содержит кольца из магнитного материала, например, феррита, одетых на кабель со стороны разомкнутой и исключенной для протекания тока жилы кабельной линии, причем магнитные кольца для исключения насыщения выполнены с зазором.
Новым результатом этого устройства является возможность реализации способа с его помощью с ускорением волны давления вдоль скважины, т.е. создание волны давления направленного действия.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сути и объема данного изобретения.
В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации всех упомянутых устройств и блоков, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства управления могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.
Аппаратные средства силовой и механических частей могут быть реализованы на базе любых известных в уровне техники устройств, компонентов и блоков, которые могут быть адаптированы специалистом в области техники для реализации задач, решаемых заявленным изобретением.