Способ акустического воздействия на скважину
METHOD OF ACOUSTIC IMPACT ON WELL

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, может быть использовано для повышения дебита малопродуктивных скважин и для реабилитации скважин, считающихся неперспективными.
Из патента РФ №2046936 на изобретение известен способ воздействия на нефтеносный пласт, включающий возбуждение упругих колебаний с предварительными измерениями акустического шума, при этом перед возбуждением упругих колебаний по измерениям в пласте интенсивности акустического шума устанавливают фазу земных приливов, соответствующую максимальной энергии акустического шума, при этом упругие колебания в пласте возбуждают в эту фазу до появления максимума приращения суммарной с начала возбуждения энергии акустических шумов и стабилизации фильтрационных свойств пласта.
Недостатком способа по патенту №2046936 является его недостаточная эффективность, поскольку он не обеспечивает волнового воздействия на значительную область пласта и, следовательно, не может обеспечить существенного повышения нефтеотдачи.
Из патента РФ №2162519 на изобретение известен способ акустической обработки продуктивной зоны скважины, основанный на возбуждении скважинного акустического излучателя электрическим сигналом технологического диапазона частот, преобразовании энергии электрического сигнала в энергию акустических колебаний, воздействующих на обрабатываемую зону скважины по интервалам перфорации, при этом возбуждение акустического скважинного излучателя формируют в виде суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона, акустическими колебаниями которых воздействуют на ближнюю продуктивную зону скважины, а на дальнюю продуктивную зону скважины воздействуют низкочастотными акустическими колебаниями комбинационных разностных частот нелинейного взаимодействия акустических колебаний ряда частот технологического диапазона. Ряд частот технологического диапазона выбирают в диапазоне частот 10-60 кГц с учетом геофизических характеристик ближней продуктивной зоны скважины так, что комбинационные разностные частоты лежат в диапазоне 20-400 Гц с учетом геофизических свойств дальней продуктивной зоны скважины. Обработку продуктивной зоны скважины в интервалах перфорации осуществляют с шагом через 1-2 м скважинным акустическим излучателем с длиной активной базы 0,5-1,5 м, акустической мощностью 0,5-5 кВт, причем на каждом шаге скважинный акустический излучатель возбуждают сначала тональным частотно-модулированным электрическим сигналом в течение 0,1-1 ч, а затем суммой электрических сигналов ряда частот технологического диапазона в течение 0,5-4 ч. В качестве суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона выбирают сумму электрических сигналов двух частот, один из которых модулируют по частоте.
Недостатком способа по патенту №2162519 является его недостаточная эффективность, обусловленная тем, что излучатель работает в большом диапазоне частот, отличающихся от его резонансной частоты (на которой работа излучателя является наиболее эффективной), кроме того, неэффективность способа обусловлена режимом (диапазоном) модуляции, на порядок превышающем ширину полосы рабочих частот излучателя, равной 300 Гц.
Способ по патенту РФ №2162519 выбран в качестве наиболее близкого аналога (прототипа).
Техническая проблема, решаемая изобретением - создание эффективного способа акустического воздействия на скважину.
Технический результат, достигаемый изобретением - повышение эффективности акустического воздействия на скважину, расширение функциональных возможностей способа.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в способе акустического воздействия на скважину, осуществляемом посредством двух скважинных акустических излучателей диаметром не более 35 мм, установленных вдоль общей оси на расстоянии, не превышающем одну длину волны звука в скважинной жидкости, при этом излучающие поверхности обоих излучателей направлены навстречу друг другу, включающем предварительное определение резонансной частоты и добротности каждого излучателя, соответствующих скважинным условиям, запись амплитудно-частотных характеристик каждого излучателя, в пространстве между излучателями формируют суммарное акустическое поле с частотой fb, равной f1-f2, где f1 и f2 - рабочие частоты, соответственно первого и второго излучателя акустического поля, обеспечивают поддержание значения fb до 4 кГц с возможностью ее изменения в данном диапазоне за счет возможности регулирования рабочей частоты каждого излучателя в пределах своей амплитудно-частотной характеристики без снижения излучаемой мощности ниже половины от резонансной, рабочую частоту каждого излучателя выбирают в диапазоне от 18 до 22 кГц.
В качестве акустического излучателя целесообразно использовать стержневой магнитострикционный преобразователь.
Изменение частоты излучателя в процессе работы в скважине целесообразно осуществлять при помощи функции модуляции частоты.
Целесообразно осуществлять коррекцию акустического воздействия на скважину в соответствии с вызванной акустической эмиссией.
В заявляемом способе используются два скважинных излучателя акустического поля, установленных вдоль общей оси, излучающие поверхности которых направлены навстречу друг другу.
В качестве скважинного излучателя акустического поля используется стержневой магнитострикционный преобразователь. Резонансная частота такого излучателя определяется его длиной и скоростью звука материала.
Поскольку эффективность излучения зависит от величины площади излучающей поверхности излучателя, следовательно, необходимо добиться максимально возможной мощности излучения акустического поля при ограниченных размерах скважинного прибора. В данном случае наружный диаметр корпуса прибора не может быть более 43 мм (диаметр прибора ограничен диаметром насосно-компрессорной трубы), с учетом корпуса прибора диаметр излучающей поверхности не может превышать 30-35 мм.
Эти конструкционные требования накладывают ограничения на частотный диапазон излучаемого поля и его излучаемую мощность.
Чтобы добиться максимальной мощности излучения и наибольшего коэффициента полезного действия скважинного излучателя его рабочую частоту выбирают из условия наилучшего согласования излучателя с акустической нагрузкой. Нагрузкой на излучатель служит флюид в скважине: вода, нефть или их смесь.
Исходя из теории излучения звука акустический импеданс излучающей поверхности излучателя равен Zs=Rs*α+jXm*β,
где, Rs=ρ*c*S*α - активная составляющая импеданса;
3
ρ - плотность вещества среды, заполняющей скважину - вода, нефть [кГ/м];
с - скорость звука в этой среде - вода или нефть, [м/с];
2
S - площадь излучающей поверхности скважинного излучателя [м];
3
Xm=8/3*ρ*R*β - реактивное сопротивление или со колеблющаяся масса жидкости вблизи поверхности излучателя;
R - радиус излучающей поперечной поверхности излучателя [м];
α(D/λ) и β(Dλ) - безразмерные функции, определяющие долю активной и реактивной составляющих акустического импеданса излучателя в зависимости от его геометрических размеров в соотношении с длиной волны излучаемого поля;
D - характерный размер излучающей поверхности излучателя, в данном случае это диаметр его поперечного сечения;
λ=c/f - длина волны звука в скважинной жидкости, в нефти или в воде [м];
f - рабочая частота излучаемого поля [Гц].
Рабочую частоту излучателя выбирают таким образом, чтобы реактивное сопротивление jXm*β после достижения своего максимума стремилось к нулю с увеличением частоты. Исходя из фактических размеров скважины и скважинного прибора рабочая частота излучателя выбирается не менее 18 кГ. Этим определяется нижний предел оптимального диапазона рабочей частоты скважинного излучателя в приборе диаметром до 43 мм. Верхний предел диапазона рабочей частоты задается условием ограничения электромагнитных потерь в материале магнитострикционного преобразователя, и не превышает 22 кГц.
Для достижения максимальной акустической мощности излучения в указанном диапазоне скважинные излучатели изготавливают и настраивают на работу на резонансной частоте в указанном диапазоне частот.
Излучатели располагают в непосредственной близости друг от друга, на расстоянии не превышающей одной длины волны звука в скважинной жидкости.
Излучатели изготавливают и настраивают на работу на резонансных частотах, соответственно, f1 и f2, которые находятся в указанном диапазоне частот.
При этом в скважине формируется суммарное акустическое поле, состоящее из двух независимых полей на разных частотах (f1 и f2), а также акустическое поле, которое является результатом взаимодействия этих двух полей в горной породе около скважинного пространства с разностной частотой, равной fb=f1-f2. Эту частоту (fb) называют частотой биения.
В заявляемом способе акустического воздействия рабочую частоту каждого излучателя (первого и второго) устанавливают таким образом, чтобы она равнялась резонансной частоте соответствующего излучателя. При этом целесообразно, чтобы резонансные частоты обоих излучателей отличались друг от друга на величину, которая лежит в диапазоне от 0 до максимальной разницы оптимального диапазона рабочих частот скважинных излучателей. В данном случае это диапазон от 0 до 4 кГц. Таким образом, в горной породе формируется фиксированная частота биений акустического поля в указанном диапазоне, т.е. от отсутствия биений, при равенстве частот излучателей до частоты равной 4 кГц.
Указанный диапазон частоты биения охватывает полосу собственных резонансных частот порового пространства продуктивного пласта, насыщенного нефтью или водой. Заранее набор этих частот колебаний не известен, поскольку зависит от многих литологических параметров и динамики флюидов конкретного месторождения. Поэтому в заявляемом способе предусмотрена возможность изменения частоты биений в процессе акустического воздействия. Однако охватить весь диапазон биений не представляется возможным в связи ограниченной полосой рабочей частоты резонансного магнитострикционного преобразователя, в котором излучаемая мощность могла бы оставаться на высоком уровне. Эффективное излучение акустической мощности возможно только на его механическом резонансе и небольшом отклонении в обе стороны от резонанса. При этом излучаемая мощность снижается и зависит от добротности механической системы излучателя, которая включает в себя сам электроакустический преобразователь и концентратор.
В способе предлагается предварительно рассчитать и затем экспериментально определить фактическую частоту резонанса и добротность каждого излучателя в условиях максимально приближенных к скважинным или непосредственно в скважине и записать их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ).
На Фиг. приведены амплитудно-частотные характеристики двух магнитострикционных излучателей измеренные в скважинных условиях. На графике точки 5 и 6 означают амплитуду колебаний на резонансной частоте каждого из излучателей. Точки 1 и 3 для первого излучателя, так же, как и точки 2 и 4 для второго, означают пересечение величины амплитуды колебаний излучателей с уровнем амплитуды равном 0,707 от уровня амплитуды на резонансе, т.е. в точке 5 и 6 соответственно. Квадрат числа равного этому уровню соответствует половине мощности, излучаемой на резонансной частоте.
Второй излучатель, например обозначенный на графике «к2» рассчитывают и изготавливают со сдвигом его АЧХ относительно первого излучателя таким образом, чтобы точки 2 и 3 совпадали. В результате рабочий диапазон частот двух излучателей расширяется в пределах полосы частот от точки 1 до точки 4. При этом мощность излучения каждого из них будет равна не менее чем половине мощности, которая есть на резонансе.
В заявляемом способе предусмотрена возможность изменения рабочих частот обоих излучателей в процессе работы в скважине при помощи функции модуляции частоты.
При этом рабочая частота каждого излучателя регулируется в пределах своей АЧХ без снижения излучаемой мощности ниже половины от резонансной. Изменение рабочих частот излучателей производится методом модуляции частоты во времени с заданной скоростью или частотой модуляции. Частный случай, когда частота модуляции равна нулю, при этом способ возбуждения акустического поля сводится к вышеописанному т.е. работе на двух фиксированных частотах и возбуждении акустического поля биений в горном массиве на постоянной разнице частот.
Введение функции модуляции частоты рабочей частоты одного из излучателей или обоих сразу создает возможность изменять частоту биений акустического поля в процессе воздействия. Это существенно расширяет функциональные возможности способа акустического воздействия в скважине, поскольку позволяет инициировать физические процессы фильтрации флюида в насыщенном пористом пространстве параметры, которых заранее не известны. Поскольку любой процесс движения жидкости в поровом пространстве сопровождается микросейсмическими колебаниями или шумом, то стимулирование этого движения наилучшим способом можно добиться путем возбуждения акустического поля на его собственных резонансных частотах. Но так как эти частоты зависят от множества геологических факторов и изменяются в процессе эксплуатации нефтедобывающей скважины, то целесообразно проводить акустическое воздействие в широком диапазоне изменения его параметров, которые обеспечат попадание внешних колебаний в резонанс с собственными колебаниями сложной природной нефтенасыщенной пористой среды. Это позволит добиться максимального эффекта от акустического воздействия на продуктивный пласт с целью увеличения его проницаемости и в конечном счете продуктивности добывающей скважины.
Эффективность заявляемого способа можно повысить возможностью организации обратной связи по сигналу вызванной акустической эмиссии, и последующей коррекции акустического воздействия на скважину.
На фиг. 1 представлены амплитудно-частотные характеристики скважинных акустических излучателей в общем виде.
На фиг. 2 представлены амплитудно-частотные характеристики скважинных акустических излучателей при fb=0.
На фиг. 3 представлены амплитудно-частотные характеристики скважинных акустических излучателей при fb=49 Гц.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Для осуществления заявляемого способа используют два стержневых магнитострикционных преобразователя, установленных вдоль общей оси излучающими поверхностями навстречу друг другу. Диаметр каждого преобразователя равен 35 мм, расстояние между излучателями не превышает одну длину волны звука в скважинной жидкости. Предварительно определяют значения резонансной частоты и добротности каждого излучателя, соответствующих скважинным условиям, т.е. тем условиям, в которых будут работать излучатели в процессе их воздействия на скважину. Далее осуществляют запись амплитудно-частотных характеристик каждого излучателя. Каждый излучатель работает на своей рабочей частоте (соответственно f1 и f2), при этом рабочая частота каждого излучателя выбирается из диапазона частот от 18 до 22 кГц таким образом, чтобы суммарное акустическое поле, формирующееся в пространстве между излучателями, имело частоту fb в диапазоне от 0 до 4 кГц, обеспечивая возможность ее изменения (корректировки) в указанном диапазоне. Изменение частоты fb обеспечивают за счет возможности изменения рабочей частоты каждого излучателя в пределах своей амплитудно-частотной характеристики без снижения излучаемой мощности ниже половины от резонансной. Изменение частоты излучателя в процессе работы в скважине осуществляют при помощи функции модуляции частоты. По результатам измерений акустической эмиссии, вызванной за счет акустического воздействия на скважину, осуществляют коррекцию акустического воздействия путем корректировки f1 и/или f2, а, соответственно, и fb.
Эффективность заявляемого способа проявляется в том, что он позволяет максимально согласовать особенности скважины и акустическое воздействие на нее.
Частота fb - низкая частота, соответствующая процессам, происходящим в скважине. Эффективность способа обеспечивается в пределах невысоких частот, что позволяет максимально точно адаптировать акустическое воздействие к особенностям (характеристикам) конкретной скважины.
Корректируя АЧХ каждого излучателя, можно обеспечить не только требуемое значение fb, но и направление суммарного акустического поля таким образом, чтобы максимально уменьшить его непроизводительные потери.
Заявляемый способ является простым, т.к. не требует сложного, специального оборудования.
Расширение функциональных возможностей обеспечивается за счет высоких адаптационных возможностей способа.