УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЕГАЗОНОСНЫЙ ПЛАСТ

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к устройствам для акустического воздействия на нефтегазоносные зоны продуктивного пласта.
Из уровня техники известно устройство для акустического воздействия на зону перфорации и нефтеносный пласт в призабойной зоне, включающее акустический излучатель составного типа в виде пьезокерамического стержня, помещенного в герметичный корпус, активных излучающих накладок, размещенных за пределами герметичного корпуса, имеющих плоские излучающие поверхности, перпендикулярные продольной оси устройства, при этом акустический излучатель снабжен, по меньшей мере, одним металлическим отражателем с плоскими поверхностями, параллельными плоским поверхностям активных излучающих накладок и установленным на внешней поверхности корпуса излучателя, на равном расстоянии от каждой накладки с возможностью фиксации в заданном положении. При этом устройство может быть снабжено дополнительным металлическим отражателем, установленным параллельно первому на внешней поверхности корпуса излучателя с образованием симметричной системы накладок и отражателей, при этом каждый отражатель установлен с возможностью перемещения вдоль оси устройства и фиксации в заданном положении. (Патент РФ №2286587, 7 МПК G01V 1/00, з. №2005117537/28, приоритет 08.06.2005, опубл. 27.10.2005, БИ №30).
Данное устройство предназначено для увеличения мощности волнового воздействия лишь в призабойной зоне, внутри обсадной колонны и ближайшем околоскважинном пространстве, вследствие
конструктивного расположения поверхности излучателя, создающей вертикальную направленность стоячих волн, и не обеспечивает усиления воздействия на важные и удаленные от скважины участки и зоны нефтеносного пласта.
Из уровня техники известно также устройство для обработки призабойной зоны продуктивного пласта, содержащее колонну герметичных насосно-компрессорных труб, сверху над которой расположен генератор гидроудара, установленный с возможностью передачи воздействия вглубь колонны, а в нижней части установлено отклоняющее устройство, резервуар с рабочей жидкостью, насос, вход которого соединен с резервуаром, а выход с полостью колонны, средство герметизации скважины, средство герметизации верхней части колонны, отличающееся тем, что оно содержит средство для сообщения полости скважины с резервуаром, а отклоняющее устройство выполнено в виде полого тела вращения с продольными сквозными пазами на боковой поверхности, длина которых равняется величине проекции на вертикальную ось скважины минимального расстояния между двумя ближайшими щелями перфорации, а внутри нижней части тела вращения установлен конический отражатель. При этом тело вращения может представлять собой гиперболический параболоид, радиус кривизны которого обеспечивает фокусировку акустических волн в глубине щелей перфорации, а также тело вращения может представлять собой цилиндр. (Свидетельство РФ на полезную модель №15584, 7 МПК Е21В 43/25, з. №2000111175, приоритет 17.05.2000, опубл. 27.10.200 в БИ №30.)
Данное устройство используется для повышения проницаемости коллекторов при обработке призабойных зон продуктивных пластов, в том числе состоящих из плотных малопроницаемых терригенных горных пород, непроницаемость которых вызвана релаксацией напряжений вокруг скважины. Использование в его конструкции отклоняющего устройства в
виде гиперболического параболоида позволяет с помощью фокусировки эффективно воздействовать на щели перфорации, что приводит к трещинообразованию в зонах концентрации напряжений. Однако, монтаж и эксплуатация данного устройства, вызванные необходимостью проведения комплексной гидроударноволновой обработки и связанные с установкой генератора гидроудара (гидравлического молота), насоса и резервуара с рабочей жидкостью, а также средств герметизации скважины и верхней части колонны НКТ и др. работ, требуют достаточно больших материальных и трудозатрат, увеличивающих к тому же время на монтаж и демонтаж данного устройства. В то же время, зачастую, требуется оперативное эффективное воздействие на удаленные и важные участки с помощью более мобильных и менее материалоемких средств волнового воздействия.
Наиболее близким к заявляемому по назначению, и совокупности существенных признаков является устройство для акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, содержащее наземный блок управления, соединенный посредством кабеля со скважинным прибором, состоящим из генератора, акустического излучателя и датчика, скважинный прибор выполнен в виде двух частей, соединенных кабелем, в верхней части размещен генератор, а в нижней, сообщающейся с окружающей средой - датчик и, по крайней мере, один акустический излучатель, который снабжен хотя бы одним отражателем акустических волн, имеющим коническую поверхность, обращенную вершиной к излучателю, с углом при вершине, равным 90 град., а расстояние между торцевой поверхностью излучателя и вершиной конической поверхности отражателя акустических волн - «а» выбирают из условий образования стоячей волны в среде по формуле а=nλb. Нижняя часть скважинного прибора оканчивается акустическим концентратором или эхолотом. Наконечник акустического концентратора выполнен с дискообразным пояском. Нижняя часть прибора сообщается с окружающей средой
посредством выполненных в стенке корпуса прямоугольных окон в зонах размещения отражателей акустических волн. (Патент РФ №2140519, 6 МПК Е21В 28/00, Е21В 43/25, з. №98104747, приоритет 11.03.1998, опубл. 27.10.1999 в БИ №30).
При сравнительно небольшой материалоемкости известного устройства недостатком его является недостаточная мощность волнового воздействия на пласт. Это связано с тем, что акустический излучатель, работающий в зоне перфорации в режиме бегущей волны, возбуждает упругие волны, имеющие плоский фронт в соответствии с формой поверхности акустического излучателя. В соответствии с принципом работы устройства вертикальная акустическая волна отражается (поворачивается) под углом 90° стенками конического отражателя, превращаясь в горизонтальную волну. Вследствие этого, энергия упругой волны равномерно распределяется по ее плоскому фронту и быстро рассеивается в пласте и устройство не обеспечивает возможность направленного усиленного волнового воздействия на важные известные зоны нефтеносного пласта, установленные в процессе разработки и эксплуатации (трещиноватые зоны, зоны выпадения смол и асфальтенов, целики, останцы и др.), а также удаленные от скважины участки пласта.
Предлагаемое устройство решает задачу повышения эффективности воздействия на нефтегазоносный пласт за счет обеспечения направленного более мощного волнового воздействия на заданные участки пласта.
Поставленная задача решается заявляемым устройством для акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, включающем скважинный прибор, связанный посредством кабеля с наземным генератором, содержащий блок управления с датчиком и сообщающийся с окружающей средой окнами, выполненными в стенке корпуса в зонах размещения отражателей, акустический излучатель, снабженный по крайней мере одним отражателем акустических волн, в котором отражатель акустических волн имеет поверхность в виде параболы, окна в
корпусе скважинного прибора имеют круглую форму, а между блоком управления и акустическим излучателем установлен высокочастотный преобразователь.
Основным техническим результатом, получаемым при этом, является не менее чем пятикратное увеличение мощности волнового воздействия по сравнению с прототипом и, как следствие, повышение степени интенсивности добычи углеводородов. Данный результат достигается за счет конструкции отражателя, имеющего параболическую форму, с помощью фокусировки энергии акустических волн, основанной на эффекте комы, являющейся одной из аберраций акустической системы. Заявленное устройство снабжено параболическим отражателем, поверхность которого описывается уравнением:
2
у=Рх, где Р - расстояние от фокуса до вершины параболы (параметр, определяющий ее раскрыв)
При этом круглая форма окон, выполненных в стенке скважинного прибора, обусловлена необходимостью уменьшения потерь мощности волновых колебаний при прохождении через окна сфокусированного в параболических отражателях пучка акустических волн, сечение которого также имеет круглую форму.
Кроме того, техническим результатом является упрощение конструкции скважинного прибора за счет размещения генератора электрических сигналов на поверхности и установки в приборе высокочастотного преобразователя.
На фиг.1 представлена схема устройства для акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, в конструкции которого используются четыре отражателя с поверхностью в виде параболы, на фиг.2 - схема направленности акустических волн при использовании отражателя волн с параболической поверхностью.
Устройство состоит из скважинного прибора 1, связанным посредством кабеля 2 с наземным генератором 3. В корпусе скважинного
прибора 1 размещены блок управления 4 с датчиком 5, сигнализирующем о проникновении акустических волн в пласт, высокочастотный преобразователь 6, два пьезоизлучателя 7, и четыре отражателя 8 с параболической поверхностью заданной кривизны (заданного фокусного расстояния). В корпусе скважинного прибора 1, в зонах размещения отражателей 8, для прохода волновых колебаний через перфорационные отверстия обсадной колонны 9 в пласт выполнены окна 10 имеющие круглую форму, соответствующую форме сечения сфокусированного в отражателях 8 направленного пучка акустических волн 11.
Устройство работает следующим образом:
Скважинный прибор 1 опускается в скважину на кабеле 2, связывающим скважинный прибор с наземным генератором 3. Скважинный прибор 1 устанавливается таким образом, чтобы окна 10 в корпусе прибора располагались на уровне перфорационных отверстий скважины, сообщающих пласт со стволом скважины. По сигналу с поверхности включается блок управления 4, передаваемому по одной из жил кабеля 2, по другим жилам кабеля 2 в блок управления 4 подается питание для пьезоизлучателей 6 и 7 и датчика амплитуды сигнала 5, сигнализирующего о проникновении акустических волн в пласт. Мощность подаваемого питания регулируется автоматически в блоке управления 4 в зависимости от показателей датчика амплитуды сигнала 5. Упругие волны, исходящие от пьезоизлучателей 7 падают на отражатели с параболическими поверхностями 8, имеющими радиус заданной кривизны. Сфокусированные направленные пучки волн 11 от отражателей 8 воздействуют на заданные участки пласта на необходимом расстоянии от обсадной колонны 10. В случае косого падения пучка лучей 11 на параболический отражатель 8 (фиг.2), возникает эффект комы, заключающийся в том, что вследствие аберрации системы отраженные лучи фокусируются со смещением от ее оси, при этом область
фокусировки поля имеет вид пятна, размеры которого «d» пропорциональны квадрату угловой апертуры системы:
2
d=(nsin′A/2), где
n - коэффициент преломления
′А - апертура системы
При сфокусированном воздействии наибольшему воздействию подвергаются точки пласта, находящиеся в фокальной области излучателя на удалении, соответствующем параметру Р. Отклонение этой области от оси системы (середины пласта) пропорционально параметру и апертуре:
Δх=Рtg′A,
Акустическая мощность в фокальном пятне пропорциональна квадрату апертуры.
Преимущество заявляемого устройства вытекает из следующих оценок.
Плотность потока энергии в пласте в общем виде:
Р=E/S,
где Е - энергия пьезоизлучателя;
S - площадь поверхности волнового воздействия.
При одинаковой мощности пьезоизлучателя в известном и заявляемом устройстве, площадь волнового воздействия на пласт в известном устройстве с коническим отражателем, не имеющем фокусировки, определяется размером излучающей поверхности системы, определяемой из его габаритных размеров (L=а×b=0,04×0,05=0,2 м). Площадь воздействия при этом:
возд
2
2
S=(0,2)=0,04 м
Площадь сечения круглого пучка энергии при фокусировке, используемом в заявляемом устройстве составляет:
вoзд
S=π(λsin′A),
где λ - длина волны
′А - апертура системы
Для общих частоты источника 20-30 кГц и длины волны λ=0,05 м., максимально возможное значение апертуры ′А=90°, что соответствует наихудшему условию излучения, тогда:
возд
2
2
S=3,14×0,05≈0,008 м
Соотношение плотности потока энергии в заявляемом и известном устройстве определяется отношением площадей сечений потоков и составляет:
возд
возд
S/S′=0,04/0,008=5 раз.
Вся энергия пьезоизлучателей, для данного случая, концентрируется в четырех точках (по числу отражателей сигнала), в которых возникает большая плотность акустической энергии, при этом число отражателей 8, размещаемых в скважинном приборе 1 может быть любым и определяется толщиной пласта и количеством заданных зон воздействия.
Таким образом, в заявляемом устройстве достигается, по меньшей мере, пятикратное увеличение мощности волнового воздействия на заданные участки нефтегазоносного пласта, что способствует развитию существующих и образованию новых микротрещин в продуктивном пласте, обеспечивающих увеличение интенсивности притока углеводородов в скважине.