СКВАЖИННЫЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК
DOWNHOLE SEISMIC SOURCE

Изобретение относится к вибросейсмической технике и может быть использовано для повышения нефтеотдачи нефтегазоносных месторождений путем скважинного вибровоздействия на нефтяные пласты, а также для сейсморазведки земных недр.
В настоящее время в мировой и отечественной практике нефтедобычи сложилось обоснованное представление об эффективности и перспективности применения волновых технологий воздействия на истощенные, высокообводненные нефтяные пласты с целью интенсификации добычи нефти.
Известно устройство для волнового воздействия на залежь, состоящее из груза для нанесения ударов, связанного с ним подъемного механизма, траверсы с захватными элементами и прерывателя, предназначенного для соединения со скважиной (см. авт. свид. СССР №1710709, 1992 г.).
Известное устройство обладает рядом недостатков, обусловливающих его низкую технико-экономическую эффективность:
- высокой металлоемкостью и сложностью конструкции;
- высокой стоимостью эксплуатации и монтажных работ;
- детали устройства испытывают большие динамические нагрузки, что снижает их долговечность;
- импульс силы, действующий на массив породы существенно ограничен предельным напряжением упругой деформации горной породы, достигающим больших значений из-за сравнительно малой контактной площади груза и взаимодействующей с ним наковальни;
- не может быть использовано для силового воздействия на стенки скважины, ориентированной нормально залежи.
Известен скважинный электромагнитный сейсмический источник, включающий размещенный в корпусе вибратор продольных или поперечных колебаний, выполненный в виде линейного электромагнитного двигателя с реактивной массой на оси из диамагнитного материала, зажимное устройство для закрепления сейсмического источника в заданном месте в стволе скважины с электрогидроприводом, электронный блок управления в акустическом изоляторе для индикации движения сейсмоисточника в скважине, вибрации стенок скважины и передачи пакета сигналов управления с поверхности на вибратор и электрогидропривод зажимного устройства (см. патент США №4715470 по кл. Е21В 23/01, 1988 г.).
Известный скважинный электромагнитный сейсмический источник имеет сложную многокомпонентную конструкцию, что по определению предполагает высокую стоимость его изготовления и обслуживания, а также невысокую эксплуатационную надежность, особенно на режимах длительного включения.
Известен скважинный сейсмоисточник сейсмических импульсов, состоящий из корпуса в виде камеры с окнами, которые перекрываются посредством кольцевого зазора, и снабженного поршнем, имеющего возвратно-поступательное движение (патент РФ 2166779, кл. G01V 1/135, 2001 г.).
Привод перемещения поршня выполнен в виде ходового винта, подсоединенного через редуктор и управляемую муфту к валу электродвигателя, и окна в корпусе размещены в нижней части камеры, а затвор, поджатый пружиной, зафиксирован защелкой, сопряженной с якорем спускового электромагнита и над поршнем со стороны противоположной рабочей камере размещена газовая полость.
Недостатками известного устройства являются:
- сложность конструкции электромеханической системы привода затвора камеры и привода прижима,
- доступность содержащей абразивы жидкости в скважине к подвижным элементам привода затвора, что существенно снижает долговечность скважинного источника,
- длительность цикла подготовки (зарядки) скважинного источника для реализации каждого гидроудара и связанная с этим низкая частота ударов, что снижает эффективность импульсного воздействия на нефтесодержащую породу.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому решению является скважинный сейсмический источник, содержащий силовой элемент в виде гидроцилиндра с изменяемым диаметром, снабженного плунжером, взаимодействующим с механизмом его возвратно-поступательного перемещения вдоль оси гидроцилиндра, и систему питания и управления сейсмоисточника (см. патент РФ №2452853 от 10.06.2012 г.).
Известное устройство, в составе подвижной части механизма возвратно-поступательного перемещения, каната, груза с плунжером гидроцилиндра с изменяемым диаметром является сложной многомассовой системой с упруго-диссипативными связями в виде каната, упругой подвески и рабочей жидкости внутри гидроцилиндра.
Известное устройство обладает рядом недостатков, а именно:
- низкая эксплуатационная надежность устройства;
- сложная настройка на оптимально необходимый режим колебаний, резонансных частоте собственных упругих колебаний породного массива, прилегающего к стенкам скважины;
- высокие металлоемкость, стоимость монтажа и эксплуатации.
Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание скважинного электромагнитного сейсмического источника, оказывающего вибросейсмическое воздействие непосредственно на нефтяной пласт независимо от глубины его залегания и работающего как при прямом ходе, так и при обратном ходе бойка электромагнитного привода.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигает созданием скважинного сейсмоисточника, содержащего силовой элемент в виде гидроцилиндра с изменяемым диаметром, снабженного плунжером, взаимодействующим с механизмом его возвратно-поступательного перемещения вдоль оси гидроцилиндра, и систему питания и управления сейсмоисточника, который, согласно изобретению, снабжен установленным соосно с силовым элементом электромагнитным молотом двойного действия, в неразъемном цилиндрическом корпусе которого размещены катушки обратного и прямого хода бойка, полюса и индуктивные датчики, жестко смонтированные на диамагнитной направляющей, и боек, причем боек нижним торцом взаимодействует с плунжером гидроцилиндра, причем полости электромагнитного молота со стороны нижнего и верхнего торцов бойка вакуумированы, а на наружных поверхностях корпуса электромагнитного молота и гидроцилиндра выполнены продольные пазы, предназначенные для размещения в них проводов коммуникаций силового питания катушек электромагнитного молота и катушек индуктивных датчиков, при этом провода коммуникаций через коллектор, смонтированный в верхней крышке электромагнитного молота, сообщены кабелем с блоком питания и управления сейсмоисточника.
Выполнение блока питания и управления сейсмоисточника содержит питаемый от управляемого тиристорного выпрямителя тиристорный коммутатор с катушками прямого и обратного хода бойка, в цепь которых подключены индуктивные датчики, импульсно-фазовая система управления углами регулирования тиристорного выпрямителя, которая позволяет регулировать величины постоянных напряжений, поступающих на катушки с выхода тиристорного выпрямителя, и следовательно, регулировать электромагнитные силы тяги катушек.
Снабжение устройства вторым силовым элементом в виде гидроцилиндра с изменяемым диаметром, плунжер которого взаимодействует с верхним торцом бойка электромагнитного молота, позволяет создать комплекс, обеспечивающий активное объемное воздействие на пласт как по мощности пласта вдоль оси скважины, так и по простиранию пласта в плоскости, перпендикулярной оси скважины. При этом неизбежно повышение интенсификации нефтеотдачи.
Выполнение корпуса неразъемным цилиндрическим с размещенными в нем катушками холостого и рабочего хода бойка, полюсами и индуктивными датчиками, жестко смонтированными на диамагнитной направляющей, и боек, как единый узел упрощает конструкцию молота и технологию его сборки-разборки.
Установка со стороны нижнего и верхнего торцов корпуса силовых устройств импульсного воздействия на нефтесодержащую среду с приводными плунжерами, поочередно взаимодействующими с бойком, позволяет:
- герметично закрыть внутреннюю полость молота и, таким образом, обеспечить его работу в жидких средах в скважинах;
- запускать оба силовых устройства за каждый рабочий цикл молота, что практически удваивает эффективность импульсного воздействия на нефтесодержащую породу.
Выполненный в системе питания и управления сейсмоисточника и связанный с цепями индуктивных датчиков молота импульсно-фазовый блок управления углами регулирования, управляемого тиристорного выпрямителя, питающего тиристорный коммутатор с катушками прямого и обратного хода бойка, дает возможность изменять на выходе управляемого тиристорного выпрямителя постоянные напряжения, поочередно поступающие на катушки прямого и обратного хода бойка.
Следовательно, можно менять электромагнитные силы катушек и реализовать, например, равенство импульсов удара бойка по плунжерам силовых устройств.
Этим достигается наиболее эффективный для повышения нефтеотдачи симметричный режим импульсного воздействия на нефтесодержащий продукт нижним и верхним силовыми устройствами.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежами, где:
- на фиг. 1 показан скважинный сейсмоисточник с гидроцилиндрами с изменяемым диаметром в разрезе;
- на фиг. 2 - разрез А-А по фиг. 1;
- на фиг. 3 показана схема блока питания и управления сейсмоисточника.
Скважинный сейсмоисточник включает электромагнитный молот и присоединенные соосно к его нижнему и верхнему торцу силовые устройства (гидроцилиндры).
Электромагнитный молот включает неразъемный цилиндрический корпус 1, боек 2, размещенные в корпусе катушки прямого 3 и обратного 4 хода, полюса 5, 6, 7, 8 и индуктивные датчики 9 и 10, жестко смонтированные на диамагнитной направляющей 11.
При этом направляющая 11 с жестко закрепленными на ней катушками 3 прямого и 4 обратного хода бойка 2, полюсами 5, 6, 7, 8 и катушками индуктивных датчиков 9 и 10 образует единый энергетический блок молота, зафиксированный в корпусе 1 распорными втулками 12.
К нижнему и верхнему торцам корпуса 1 присоединены, например, силовые устройства в виде гидроцилиндров 13 с изменяемым диаметром для импульсного воздействия через стенки обсадной трубы (на чертеже не показана) на нефтесодержащую породу.
Каждый гидроцилиндр 13 содержат установленный с возможностью поступательного перемещения плунжер 14, реализующий привод гидроцилиндра при взаимодействии с бойком 2.
На наружных поверхностях корпуса 1 электромагнитного молота и установленного сверху гидроцилиндра 13 с грузовой проушиной 15 выполнены продольные пазы 16, 17, предназначенные для размещения в них проводов коммуникаций силового питания катушек электромагнитного молота и датчиков.
Провода питания 18 катушки прямого хода 3 бойка 2 выведены через полюс 6, а провода питания 19 катушки обратного хода 4 бойка через полюс 8
- в продольные пазы соответственно 16, 17 и сведены далее в коллектор 20, смонтированный в верхнем гидроцилиндре 13.
Аналогичным образом через полюса 5, 8 и далее через пазы 16, 17 в коллектор 20 выведены провода 22 от катушки датчика 10 (см. фиг. 2).
Из коллектора 20 провода коммуникаций питания катушек и датчиков соединены посредством кабеля 23 с блоком питания и управления 24 (далее БПУ 24) с импульсно-фазовой системой управления углами регулирования.
рх
хх
Блок питания и управления сейсмоисточника по фиг. 3 включает тиристорный коммутатор 25 с тиристорами 26, 27 (Т, Т.)
В цепи коммутатора 25 включены электромагнитные катушками 3 прямого и обратного 4 хода бойка 2.
r
r
px
xx
к
Коммутатор 25 включает узел гашения, состоящий из резистора 28 (R), емкости 29 (С), диодов 30, 31 (V, V), и коммутирующую емкость 32 (С).
Коммутатор питается от управляемого выпрямителя 33, подключенного к сети переменного тока.
Тиристоры 26, 27 при поочередном включении соединяют электромагнитные катушки 3 и 4 молота с управляемым выпрямителем 33, который соединен с импульсно-фазовой системой управления 34
пх
ох
пх
ox
Импульсно-фазовая система управления 34 служит для выработки импульсов управления, поступающих на управляющие электроды тиристоров управляемого выпрямителя 33, обеспечивая различные углы α и α регулирования тиристорного выпрямителя, при которых на выходе УВ 33 реализуются различные выпрямленные постоянные напряжения U или U, подаваемые соответственно на катушки 3 и 4 молота.
1
2
1
2
Датчики 9 и 10 соединены с выходом импульсно-фазовой системы управления 34 через резисторы 35, 36 и диоды 37, 38 (R, R и V, V).
3
4
Те же датчики соединены через резисторы 35, 36 и диоды 39, 40 (V, V) с управляющими электродами, тиристор в 26 и 27 тиристорного коммутатора 25.
Работу устройства осуществляют следующим образом:
запуск электромагнитного молота осуществляют подачей питания через тиристор 27 на катушку 4 обратного хода.
ox
ох
При этом на катушку подается напряжение U от управляемого выпрямителя 33, на который от импульсно-фазовой системы управления 34 поступают импульсы управления с углами регулирования α.
Под действием электромагнитной силы катушки 4 боек 2 ускоренно перемещается вверх и через некоторый промежуток времени своим верхним торцом достигает уровня катушки индуктивного датчика 9.
2
4
Датчик 9 вырабатывает сигнал, поступающий по цепи RV на управляющий электрод тиристора 26 коммутатора.
Включается катушка 3 прямого хода. Коммутирующая емкость 32 выключает тиристор 26.
ox
г
г
Катушку 4 обратного хода отключают от управляемого выпрямителя 33, а ее остаточная энергия гасится в контуре (V, R, С).
2
2
nx
nx
Одновременно сигнал с датчика 10 по цепи RV поступает на импульсно-фазовую систему управления 34, которая начинает вырабатывать систему импульсов управления с углом регулирования α, при котором управляемый выпрямитель 33 формирует постоянное напряжение U, поступающее на катушку 4 рабочего хода.
Тем временем продолжающий движение вверх по инерции боек 2 нанесет удар по плунжеру 14 установленного сверху гидроцилиндра 13, реализуя таким образом силовое воздействие последнего на стенки скважины и далее в нефтесодержащий пласт.
После этого боек 2 под действием собственного веса и электромагнитной силы катушки 3 начнет ускоренно перемещаться вниз.
Через некоторое время нижний торец бойка 2 достигнет уровня датчика 9, который при этом вырабатывает управляющий сигнал.
1
3
2
1
ох
По этому сигналу через цепь RV включается тиристор 27, а по цепи RV через импульсно-фазовую систему управления 34 на управляемый выпрямитель 33 подаются импульсы управления с углом α. В результате за счет емкости 32 выключается тиристор 26.
ox
г
г
Катушка 3 прямого хода отключается от управляемого выпрямителя 33, а ее энергия гасится на контуре (V, R, С).
ox
Катушка 4 обратного хода подключается к управляемому выпрямителю 33 с величиной выходного напряжения U.
В то же время продолжающий по инерции движение вниз боек 2 нанесет удар по головке 16 подпружиненного плунжеру 14 нижнего гидроцилиндра 13 и, таким образом, реализует импульсное воздействие гидроцилиндра на стенки скважины и далее в нефтесодержащий пласт.
После этого боек 2 под действием электромагнитной силы катушки 4 обратного хода начнет ускоренно перемещаться вверх. С этого момента вышеописанный рабочий процесс периодически повторяется.
nx
ох
Из вышеприведенного описания следует, что использование соединенной с управляемым выпрямителем 33 импульсно-фазовой системы управления 34 позволяет обеспечить различные углы α, α регулирования тиристорного выпрямителя.
nx
ox
При этом на выходе управляемый выпрямитель 33 реализуются различные по значению выпрямленные постоянные напряжения U и U, подаваемые на катушки 3 и 4.
Таким образом, обеспечивается возможность регулировать в широком диапазоне действующие на боек 2 электоромагнитного молота электромагнитные силы указанных выше катушек.
nx
ox
ox
nx
Так при определенном соотношении U и U и при условии U>U можно реализовать одинаковые по значению импульсы удара бойка 2 по плунжерам соответственно верхнего и нижнего силовых устройств.
Симметричное по величине импульса воздействие силовых устройств, срабатывающих за каждый рабочий цикл движения бойка 2, существенно повышает эффективность молота, как привода скважинных погружных импульсных систем для повышения нефтеотдачи.
Чтобы повысить эффективность молота при использовании его в качестве ударного привода, например, выдергивателя из грунта стержней, труб и т.п. элементов, достаточно с помощью блока питания и управления сейсмоисточника 25 реализовать импульс удара бойка 2 при обратном ходе, значительно большим по величине, чем импульс удара при его прямом ходе.
Исполнение корпуса 1 молота в виде гладкой трубы с закрытыми посредством силовых устройств торцами и скрытыми в пазах 17, 18 корпуса 1 и полюсов 5, 6 и 7 коммуникациями, собранными в коллекторе 21, смонтированном в силовом устройстве (гидроцилиндре), позволяет беспрепятственно опускать скважинный сейсмоисточник посредством грузовой проушины 15 в нефтегазовые скважины.