СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ НА ЗАБОЕ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКОЙ ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR GENERATING WAVE FIELD AT INJECTOR BOTTOMHOLE WITH AUTOMATIC TUNING OF GENERATION CONSTANT FREQUENCY

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для увеличения подвижности пластовых флюидов.
Известен способ генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины (см. патент №2399746), при котором формируют колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по НКТ, прокачивая жидкость через струйный резонатор.
Капли нефти и воды - флюиды, заполняющие капилляры продуктивного нефтяного пласта, обладают малой подвижностью вследствие ряда причин. Их перемещение по пласту к добывающей скважине ускоряют, пробуривая вокруг нее несколько нагнетательных скважин, по которым под большим давлением закачивают в продуктивный пласт различные технические жидкости. Нефтяниками давно замечено, что закачивание технических жидкостей в пласт толчками способствует лучшему выходу флюидов через добывающую скважину. Для генерации колебаний давления в потоке закачиваемой жидкости используют специальное устройство - струйный резонатор, преобразующий кинетическую энергию потока в колебательную энергию.
По нагнетательным скважинам в продуктивный пласт подают жидкость: воду, воздух, пар, химреагенты. В скважины опущены насосно-компрессорные трубы, на нижнем конце которых смонтирован струйный резонатор. Подаваемая в продуктивный пласт жидкость прокачивается через струйный резонатор который возбуждает в потоке колебания давления. Эти колебания давления распространяются во все стороны в виде акустических волн, формируя на забое скважины волновое поле (см. патент №2122109).
Также известен способ генерирования колебаний давления в потоке протекающей жидкости, реализованный в струйном резонаторе (см. патент №2077960) путем прокачивания жидкости через струйный резонатор с входным соплом и выходным отверстием с острыми кромками, в котором расстояние между соплом и отверстием согласовано со скоростью струи на срезе сопла.
Задают расход жидкости и скорость струи на срезе входного сопла и настраивают расстояние между соплом и выходным отверстием так, чтобы частота генерации при этом соответствовала частоте собственных колебаний резонатора
Закачиваемую в скважину жидкость подают через входное сопло и формируют струю, направленную на острую кромку выходного отверстия. При этом в прилегающей к острой кромке области формируются локальные возмущения давления, называемые тоном отверстия, амплитуда которых невелика. Если же скорость струи подобрана таким образом, что частота тона отверстия совпадает с собственной частотой камеры струйного резонатора, то наступает резонанс и амплитуда колебаний тона отверстия многократно возрастает.
Недостатком данного способа является невысокий коэффициент усиления кольцевого резонатора.
Известен способ генерирования колебаний давления в потоке протекающей жидкости, реализованный в струйном резонаторе Гельмгольца (см. статью Morel Th. Экспериментальное исследование осциллятора Гельмгольца, управляемого струей. Перевод ВЦП № В-56251 из J.Fluid Engineering, 1979, 101, IX, №3, 383-390), при котором формируют колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорной трубе (НКТ), путем ее прокачивания через струйный резонатор Гельмгольца (СРГ) и при этом поддерживают в соответствии скорость струи на срезе входного сопла и расстояние между входным соплом и втулкой с выходным отверстием.
Поскольку проходная площадь сопла постоянна, то скорость струи на срезе сопла определяется величиной перепада давления на устройстве и задается расходом прокачиваемой жидкости. Больше расход жидкости - больше и скорость струи, и наоборот. При изменении скорости струи, натекающей на острые кромки выпускного отверстия, изменяется и частота тона отверстия, несмотря на то, что резонатор настроен на определенную частоту. При отклонении частоты тона отверстия от частоты собственных колебаний резонатора амплитуда генерации уменьшается.
Недостатком данного способа является узкий рабочий диапазон изменения расхода жидкости и скорости струи.
Известно устройство, ближайшее по технической сущности и взятое за прототип, (см. Experimental Study of a Jet-Driven Helmholtz Oscillator, J. Fluids Eng., September 1979, Volume 101, Issue 3, p.383, doi:10.1115/1.3448983, Перевод ВЦП № B-56251 из J.Fluid Engineering, 1979, 101, IX, №3, 383-390), состоящее из струйного резонатора Гельмгольца (СРГ), установленного внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) и представляющего собой полую цилиндрическую камеру с плоскими днищами, в переднем днище которой размещают входное сопло, а в заднем днище размещают втулку с выходным отверстием.
Струйный резонатор Гельмгольца представляет собой два плоских параллельных днища, между которыми зажата обечайка. Обычно обечайку выполняют цилиндрической формы, но бывают обечайки квадратного сечения. При этом во входном плоском днище организовано круглое входное сопло, которое может выступать внутрь камеры, а в противоположном выходном плоском днище организован круглый выходной канал с острыми кромками. Выходной канал представляет собой втулку с острыми краями, установленную в днище генератора, или просто отверстие. Втулка также может выступать внутрь камеры. Сопло и выходной канал выполняются соосными по отношению друг к другу и располагаются на оси цилиндрической обечайки.
Струя жидкости, сформированная во входном сопле, при вытекании из камеры резонатора задевает своей периферией острые кромки выпускного отверстия. При этом генерируются локальные возмущения давления, распространяющиеся во все стороны в виде акустической волны. Это так называемый тон отверстия. Амплитуда локальных возмущений давления невелика, но если их частота совпадает с частотой собственных колебаний резонатора, то наступает резонанс и амплитуда генерации увеличивается на порядки.
Частота тона отверстия прямо пропорциональна скорости струи W и обратно пропорциональна расстоянию между входным соплом и выпускным отверстием L. Если расстояние между ними L неизменно, то скорость струи W должна быть строго определенной, иначе резонанс невозможен. Из этого следует, что существует некоторый интервал величины скорости потока, определяемый добротностью резонатора, внутри которого наступает резонанс. Наибольшее усиление амплитуды тона отверстия происходит на частоте собственных колебаний резонатора, но при отклонении скорости струи на допустимую величину амплитуда колебаний все равно увеличивается, правда с меньшим коэффициентом усиления.
Недостатком струйного резонатора Гельмгольца, взятого за прототип, является невозможность регулировки частоты тона отверстия при изменении расхода жидкости и подстройки резонансного режима при изменении перепада давления на устройстве.
Технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с автоматической настройкой постоянной частоты генерации, при котором формируют колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорной трубе (НКТ), путем ее прокачивания через струйный резонатор Гельмгольца (СРГ), и при этом поддерживают в соответствии скорость струи на срезе входного сопла и расстояние между входным соплом и втулкой с выходным отверстием, поддерживают в соответствии скорость струи на срезе входного сопла и расстояние между входным соплом и втулкой с выходным отверстием за счет перемещения втулки с выходным отверстием, обеспечивая увеличение этого расстояния при увеличении скорости струи и уменьшение этого расстояния при уменьшении скорости струи.
В устройстве, состоящем из струйного резонатора Гельмгольца (СРГ), установленного внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) и представляющего собой полую цилиндрическую камеру с плоскими днищами, в переднем днище которой размещают входное сопло, а в заднем днище размещают втулку с выходным отверстием, втулка с выходным отверстием выполнена подвижной, а внутри НКТ, за СРГ, установлен неподвижно гидроцилиндр с подпружиненным поршнем, соединенным штоком с подвижной втулкой с выходным отверстием, причем полость внутри гидроцилиндра перед поршнем, в направлении по потоку, сообщена с затрубным пространством, а полость за поршнем соединена с внутренним объемом НКТ.
Предложенный способ позволяет поддерживать стабильную частоту генерации колебаний давления на забое нагнетающей скважины, равную частоте собственных колебаний резонатора за счет согласования режимных параметров и конструктивных размеров струйного резонатора Гельмгольца (СРГ) при генерации колебаний давления в потоке протекающей жидкости и обеспечивать максимальный коэффициент усиления.
На фиг.1 представлена схема струйного резонатора с автоматической настройкой и гидроприводом.
Сущность изобретения состоит в следующем.
В отечественной технической литературе это комбинированное устройство называют по имени той его части, которая больше привлекает внимание автора, - струйный генератор или же струйный резонатор. Хотя, если говорить о резонаторе, то резонатор, все-таки акустический, а никак не струйный. Это же ошибка сделана и в переводе статьи Т. Мореля, из которой взят прототип. В иностранной технической литературе это устройство именуют осциллятором, но в русском языке понятие осциллятор чаще употребляется в электронике.
Не следует забывать, что резонирует не корпус резонатора, а столб жидкости, заключенный внутри, хотя корпус, конечно, тоже звучит, но его частота собственных колебаний обычно существенно ниже. Резонатор пассивен, он лишь откликается, т.е. усиливает колебания давления, созданные каким-то другим устройством, поскольку заключенный в нем столб жидкости почти неподвижен. Генератор активен, он сам создает колебания давления, поскольку в его составе имеется высокоскоростная струя, располагающая запасом кинетической энергии.
Струйный резонатор Гельмгольца представляет собой двуединое устройство, объединяющее конструктивно в одном корпусе два самостоятельных устройства: струйный генератор колебаний давления в прокачиваемой жидкости и акустический резонатор.
Акустический резонатор представляет собой обечайку в форме полого цилиндра с двумя параллельными днищами. В переднем (по направлению потока) днище установлено питающее сопло, представляющее собой втулку, через которую внутрь резонатора подается жидкость. В выходном днище выполнено выпускное отверстие с острыми краями, через которое жидкость удаляется из резонатора. Питающее сопло и выпускное отверстие расположены на оси обечайки резонатора. Этот комплекс, состоящий из сопла - струи - отверстия, и есть струйный генератор.
Струйный генератор: сопло - струя - отверстие, формирует локальные возмущения давления в области острой кромки выходного отверстия вне зависимости от наличия резонатора в окружающем пространстве. Столб жидкости, заключенный в резонаторе, отвечает за преобразование частотного спектра распространяющейся в нем акустической волны, с усилением гармоники, соответствующей частоте собственных колебаний столба. Но без отражения падающих волн работа резонатора прекратится. Из этого следует, что усиление волн в цилиндре происходит только в направлении вдоль потока, между торцевыми параллельными днищами. При распространении в поперечном направлении, при отражении от цилиндрической обечайки, волны рассеиваются.
Обычно габаритные размеры струйного резонатора Гельмгольца неизменны. Максимальное усиление резонатором тона отверстия достигается на строго определенной скорости потока, замеренной на срезе сопла. Однако увеличении расхода жидкости приводит к увеличению скорости струи, и частота тона отверстия также возрастает при этом, а при уменьшении скорости струи уменьшается.
Для согласования скорости струи и частоты тона отверстия с объемом резонатора и частотой его собственных колебаний предлагается выполнять выходное отверстие в специальной втулке, что само по себе не ново, которую можно перемещать вдоль оси резонатора в соответствии с изменением скорости струи: при увеличении скорости струи следует увеличивать расстояние между соплом и втулкой, а при уменьшении скорости струи - уменьшать. При увеличении скорости струи увеличивается частота тона отверстия, и для обеспечения максимального усиления следует частоту тона отверстия понизить до частоты собственных колебаний резонатора, для чего следует увеличить расстояние между соплом и втулкой. И наоборот, при уменьшении скорости струи также уменьшается частота тона отверстия и следует уменьшать расстояние между соплом и втулкой для поддержания частоты тона отверстия на частоте собственных колебаний резонатора. Стабилизация частоты генерации позволяет обеспечить максимальный коэффициент усиления.
Для автоматической настройки резонатора в насосно-компрессорной трубе НКТ, за резонатором (по направлению потока), устанавливают гидроцилиндр с поршнем, соединенным штоком со втулкой. Поршень разделяет гидроцилиндр на две камеры, задняя сообщается с внутренним объемом НКТ, а передняя соединена с затрубным пространством.
При расчетном расходе жидкости и перепаде давления на резонаторе поршень занимает положение в середине цилиндра. При увеличении давления в НКТ за резонатором перепад давления на резонаторе уменьшается и скорость струи также уменьшается. Увеличение давления в НКТ за резонатором приведет к увеличению давления в задней камере гидроцилиндра за поршнем и заставит поршень переместиться в сторону меньшего давления и толкнуть перед собой втулку. Увеличение давления в НКТ за резонатором перемещает поршень гидроцилиндра и втулку для уменьшения расстояния между соплом и втулкой. Это приводит к увеличению частоты собственных колебаний резонатора и настраивает резонанс с частотой тона отверстия.
Можно установить гидроцилиндры с обеих сторон резонатора. При увеличении давления перед резонатором и скорости струи поршень переднего гидроцилиндра должен перемещать сопло от втулки для увеличения расстояния между соплом и втулкой и уменьшения частоты тона отверстия, а при уменьшении давления перед резонатором перемещать сопло ближе к втулке для увеличения частоты тона отверстия. Задний гидроцилиндр должен также сдвигать сопло и втулку при увеличении перепада давления на устройстве и раздвигать сопло и втулку при увеличении перепада. Установка гидроцилиндров с обеих сторон резонатора позволит автоматически отслеживать все возможные комбинации изменения давления в НКТ, как до, так и за резонатором.
Струйный резонатор, предназначенный для возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины, включает в себя камеру, состоящую из цилиндрической обечайки 1 (см. фиг.1) с плоскими днищами на обоих торцах. В переднем (по направлению потока) днище 2 установлено сопло 3, представляющее собой втулку с закругленными краями на входе. В заднем днище 4 установлена втулка 5 с выходным отверстием с острыми входными кромками. Втулка установлена с возможностью перемещения вдоль продольной оси резонатора. В заднем днище предусмотрена цилиндрическая юбка для центрирования втулки. Между втулкой и юбкой установлено манжетное уплотнение.
За струйным резонатором установлен неподвижно гидроцилиндр 7 с поршнем, который соединен штоком 6 с кронштейном на внешней стороне втулки. В стенке гидроцилиндра выполнены два отверстия. При помощи одного отверстия "А" внутренний объем гидроцилиндра сообщается с внутренним объемом НКТ, а при помощи другого "В" - с затрубным пространством. Поршень изначально устанавливается между этими отверстиями и после установки перемещение поршня ограничивается двумя винтами. Для компенсации расчетного перепада давления поршень подпружинен. Жесткость пружины и длину штока следует подбирать таким образом, чтобы при расчетном перепаде давления положение поршня соответствовало положению втулки, при котором расстояние между соплом и втулкой также является расчетным.
Если в НКТ установлены два гидроцилиндра с обеих сторон струйного резонатора для перемещения и сопла, и втулки, то у переднего гидроцилиндра расположение окон обратное: ближнее к гидроцилиндру окно открыто в НКТ, а дальнее - в затрубное пространство. При увеличении перепада давления сопло и втулка должны раздвигаться, а при уменьшении перепада - сдвигаться.
Работает струйный резонатор с автоматической настройкой следующим образом. Жидкость подается под определенным давлением по НКТ на забой скважины, где в трубе установлен струйный резонатор. Жидкость поступает в струйный резонатор через входное сопло и вытекает из него через выпускное отверстие во втулке. При этом формируется струя с определенной скоростью, которая далее задевает своей периферией острую кромку отверстия, и вследствие этого в прикромочной области формируются локальные возмущения давления малой амплитуды, которые распространяются вокруг в виде акустической волны определенной частоты.
Поскольку частота распространяющейся в резонаторе акустической волны соответствует частоте собственных колебаний столба жидкости, заключенного внутри резонатора, то амплитуда колебаний давления в потоке жидкости многократно увеличивается. Далее жидкость через перфорацию в НКТ подается в продуктивный пласт и заставляет колебаться флюиды в поровом пространстве.
При увеличении величины противодавления за струйным резонатором перепад давления на устройстве уменьшается, что приводит к уменьшению скорости струи и уменьшению частоты тона отверстия. При этом увеличение давления внутри НКТ за струйным резонатором заставит переместиться поршень заднего гидроцилиндра ближе к струйному резонатору и толкнуть втулку ближе к соплу, что приведет к уменьшению расстояния между ними и, соответственно, увеличению частоты тона отверстия до величины, соответствующей частоте собственных колебаний резонатора. Струйный резонатор станет снова работать в согласованном режиме с максимальным коэффициентом усиления.
При уменьшении величины противодавления за струйным резонатором все произойдет наоборот: скорость струи увеличится, частота тона отверстия тоже увеличится, но уменьшение давления за струйным резонатором заставит переместиться поршень гидроцилиндра от резонатора и отодвинуть втулку от сопла. Это приведет к увеличению расстояния между ними и, соответственно, уменьшению частоты тона отверстия до величины, соответствующей частоте собственных колебаний резонатора, и настроит его работу с максимальным коэффициентом усиления.