УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОДУКТИВНЫЙ ПЛАСТ
DEVICE FOR ACOUSTICAL EFFECT ON PRODUCTIVE FORMATION

Изобретение относится к области добычи нефти, в частности к устройствам для акустического воздействия на продуктивные пласты при добыче нефти с использованием заводнения, при реагентной обработке призабойной зоны пласта и т.п., и предназначается для создания волнового воздействия на продуктивные пласты через нагнетательные и эксплуатационные скважины с применением вихревых генераторов, преобразующих энергию движущейся жидкости в звуковую энергию с целью интенсификации притока пластового флюида и ограничения поступления пластовой воды.
Известно устройство для акустического воздействия на продуктивный пласт при добыче нефти с использованием заводнения (патент СССР №1833458), включающее корпус с установленными в нем двумя гидродинамическими генераторами волн давления, каждый из которых содержит вихревую камеру с тангенциальным входным и осевым выходным каналами. Вихревые камеры расположены относительно друг друга на расстоянии гидродинамического взаимодействия вихревых потоков жидкости. Тангенциальные входные каналы обеих вихревых камер выполнены относительно друг друга так, что потоки жидкости из этих вихревых камер имеют противоположно направленное вращение. Выходные каналы обеих вихревых камер расположены в одну сторону и выведены за пределы корпуса. Устройство для акустического воздействия на продуктивный пласт на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) опускают в скважину в интервал перфорации продуктивного пласта.
За счет гидродинамического взаимодействия выходящих из вихревых камер потоков жидкости создаются низкочастотные колебания за пределами скважины в продуктивном пласте.
Однако такое известное устройство может эффективно работать только в скважинах с большой приемистостью, поскольку излучение низкочастотных колебаний (звукового диапазона частот) известным устройством возможно лишь при большой скорости движения жидкости в вихревой камере. Это объясняется тем, что поскольку частота излучения звука вихревым генератором пропорциональна расходу жидкости через вихревую камеру, то поддерживать требуемую частоту излучения каждой вихревой камерой в необходимом для эффективного воздействия интервале частот практически невозможно по причине меняющейся во времени приемистости эксплуатируемой скважины. Как следствие результирующая звуковая волна, прошедшая в пласт, будет иметь меняющуюся по величине разностную частоту и очень маленькую амплитуду.
Известно другое устройство, генерирующее низкие частоты для акустического воздействия на продуктивный пласт при проведении изоляционных работ (патент РФ №2039210), состоящее из полого корпуса с тангенциальными входными каналами, в боковых стенках корпуса выполнены излучатели частоты (генераторы Гельмгольца), каждый из которых представляет собой глухую камеру, входные отверстия которых обращены в полую часть корпуса (вихревую камеру), обеспечивая тем самым гидравлическую связь камер излучателей с вихревой камерой. Объемы камер (за счет отличающихся геометрических размеров), их количество в боковых стенках корпуса не регламентированы, поэтому они излучают различные нерегламентированные звуковые частоты. Корпус со стороны нижнего торца выполнен открытым, при этом со стороны указанного торца установлен подпружиненный отражатель. Устройство крепится к нижней части колонны бурильных труб.
При работе известного устройства рабочая жидкость (тампонажный раствор), поступая через тангенциальные каналы в вихревую камеру устройства и двигаясь внутри нее, взаимодействует с излучателями в боковой стенке корпуса, в результате чего возникают звуковые волны. Поскольку объемы камер различны, то возбуждаются звуковые волны различных частот. Эти волны, взаимодействуя между собой, порождают в призабойной зоне пласта колебания давления на суммарных и разностных частотах. Колебания с суммарными частотами быстро затухают, а колебания с разностными частотами проходят в пласт.
Однако и это известное устройство будет иметь низкую эффективность воздействия на продуктивный пласт, поскольку для излучателей (генераторов Гельмгольца) в этом устройстве не регламентированы условия формирования волн необходимой разностной частоты, которые бы проходили через обсадную колонну и далее в пласт с малыми потерями. В результате - интенсивность звуковых волн с разностными частотами имеет небольшую амплитуду.
Заявляемое устройство лишено указанных выше недостатков и решает техническую задачу обеспечения эффективного воздействия на продуктивный пласт путем создания низкочастотных колебаний за пределами скважины в продуктивном пласте с одновременным повышением амплитуды этих колебаний независимо от скорости прокачиваемой через устройство жидкости, при любой приемистости пласта за счет акустического взаимодействия выходящих из вихревой камеры звуковых волн с частотами, близкими к частоте собственных колебаний обсадной колонны в окружном направлении в интервале продуктивного пласта.
Указанный технический результат достигается предлагаемым устройством для акустического воздействия на продуктивный пласт, которое содержит полый корпус, полость корпуса представляет собой вихревую камеру с входными тангенциальными и выходным осевым каналами, в боковых стенках корпуса выполнено, по меньшей мере, два излучателя, каждый такой излучатель представляет собой глухую камеру с двумя горловинами для гидравлического сообщения с полостью вихревой камеры, излучатели выполнены отличающимися друг от друга по геометрическим размерам камер и/или геометрическим размерам горловин для обеспечения формирования различных по величине частот, но одновременно близких к частоте собственных колебаний обсадной колонны в окружном направлении в интервале продуктивного пласта, и при этом частота излучения излучателя, как минимум, в четыре раза больше основной частоты излучения вихревой камеры.
Особенностью выполнения излучателей в боковых стенках корпуса в виде глухих камер с двумя горловинами (это так называемые акустические клистроны; см. Андронов А.А., Фабрикант А.Л. Затухание Ландау, ветровые волны и свисток, в сб-ке «Нелинейные волны». - М.: Наука, 1979. - С.92) является то, что возбужденный движущейся в вихревой камере жидкостью в первой горловине звук всегда усиливается во второй горловине (и наоборот, при возвратном движении жидкости). Как следствие - повышение как интенсивности излучаемого звука излучателем, так и его коэффициента полезного действия. Достоинством акустических клистронов является то, что их частота излучения в широком интервале скоростей движения жидкости не зависит от скорости движения жидкости. Кроме того, с возрастанием скорости движения жидкости в этом интервале скоростей интенсивность излучения устройства растет.
Благодаря тому что излучатели выполнены отличающимися друг от друга по геометрическим размерам камер (этим определяется объем камер) и/или геометрическим размерам их горловин (длине, диаметру горловин), обеспечивается возможность формирования волн с различными частотами, в частности близкими к частоте собственных колебаний обсадной колонны в окружном направлении в интервале продуктивного пласта. В этом случае звуковые волны проходят через стенки обсадной колонны с наименьшим коэффициентом потерь. Как следствие - интенсивность звуковых волн, поступающих в призабойную зону пласта, имеет наибольшую амплитуду. Частота собственных колебаний стенок обсадной колонны в окружном направлении определяется расчетным путем и зависит от диаметра колонны, толщины ее стенки и числа волн в окружном направлении.
Благодаря наличию гидравлической связи полости вихревой камеры и камер излучателей в боковых стенках корпуса обеспечивается стимулирование излучения звуковых волн горловинами этих излучателей, так как вихревой излучатель добавляет довольно мощное колебание.
Геометрические размеры излучателей в боковых стенках корпуса, излучающих частоты, как минимум, в четыре раз больше основной частоты излучения вихревой камеры, позволяют обеспечивать обтекание горловин излучателей движущейся жидкостью в течение одной четверти периода работы вихревой камеры, чтобы в другие периоды работы вихревой камеры обеспечить освобождение ее от заполнившей ее жидкости.
Увеличение числа излучателей в боковых стенках корпуса приведет к повышению интенсивности их излучения и тем самым повышению интенсивности разностной звуковой волны в пласте.
На чертеже представлено заявляемое устройство для акустического воздействия на продуктивный пласт.
Устройство состоит из цилиндрического полого корпуса 1, полость которого представляет собой вихревую камеру 2 с входными тангенциальными каналами 3 и осевым выходным каналом 4. В боковых стенках корпуса 1 выполнены, по меньшей мере, два излучателя 5 и 6. Каждый излучатель 5 и 6 представляет собой глухую камеру 7 с двумя горловинами 8 и 9. Входные отверстия камер 7 обращены в полую часть корпуса 1, обеспечивая тем самым гидравлическую связь камер 7 с вихревой камерой 2 через горловины 8 и 9. Излучатели 5 и 6 выполнены отличающимися друг от друга по геометрическим размерам, например по объему камер 7 и/или по геометрическим размерам горловин 8, 9 (например, по длине, диаметру указанных горловин), что обеспечивает излучение ими различных по величине звуковых частот.
Конструктивно излучатели 5 и 6 (объем глухих камер 7, длина и диаметр горловин 8 и 9) выполняются так, чтобы их собственные частоты излучения приближались к частоте собственных колебаний обсадной колонны в окружном направлении в интервале продуктивного пласта.
П
Частоту f (Гц); соответствующую частоте собственных колебаний стенок обсадной колонны в окружном направлении в интервале перфорации, определяют расчетным путем для каждой скважины с учетом диаметра и толщины стенки обсадной колонны и числа волн в окружном направлении (см. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти томах. - М.: Машиностроение. 1978 / T.1. Колебания линейных систем. - С.222-223). Данные по расчетам приведены в таблице 1.
Таблица 1
Частота собственных колебаний обсадной колонны в окружном направлении, f<sub>п</sub>, Гц
Число волн в окружном направлении
2702
2
3629
5
4246
7
4787*
4
8493
3
Примечание: * Для примера рассмотрим случай возбуждения на стенке обсадной колонны в интервале перфорации в окружном направлении четырех волн.
K
Частота излучения излучателя (акустического клистрона) f (Гц) определяется из аналитической зависимости:
K
B
2
1/2
f=(С/2π)·[πa/2·V(l+0,5πa)],
B
где: V - объем камеры излучателя (клистрона), l и a - длина и радиус горловины излучателя (клистрона), С=1520 м/с - скорость звука в жидкости (в соленой воде).
Из аналитической зависимости следует, что частота излучателя зависит от конструктивного выполнения излучателя (геометрических размеров камеры и горловин: объема камеры, длины и диаметра горловин) и не зависит от скорости движения жидкости через устройство в широком интервале скоростей движения жидкости.
K
П
При изготовлении предлагаемого устройства выбором объемов V камер 7 излучателей 5 и 6, и/или длин l, радиусов a горловин 8 и 9 добиваются близости частот f излучения излучателей 5 и 6 к частоте f собственных колебаний обсадной колонны в окружном направлении в интервале продуктивного пласта.
K
П
K1
K1
K2
K2
1
K1
K2
2
K1
K2
1
Близость частоты f излучения излучателя к частоте f собственных колебаний стенок обсадной колонны в интервале продуктивного пласта позволяет увеличить коэффициент прохождения звуковой волны в пласт. Пусть, например, звуковая волна, излучаемая одним из излучателей 5, будет иметь амплитуду колебаний A и частоту f, а амплитуда волны и частота излучения другого излучателя 6 - A и f соответственно. Тогда в пласте в результате нелинейного взаимодействия этих волн возникают две звуковые волны с частотами f=f+f и f≡Δf=|f-f|. Волна суммарной частоты f неглубоко проникает в пласт, а волна разностной частоты Δf определяется условием необходимой глубины проникновения (прохождения) звуковой волны в пласт, а именно: необходимостью прохождения ею зоны кольматации (т.е. порядка 1,5 м).
O
O
K1
K2
K1
K2
K1
K2
Амплитуда A возникшей в результате нелинейного взаимодействия волны будет определяться из условия: A~ε·k·k·A·A, где k и k - коэффициенты прохождения звуковых волн первого и второго излучателей через стенку обсадной колонны, ε - коэффициент нелинейности среды.
Уравнение распространяющейся в пласте цилиндрической звуковой или инфразвуковой волны имеет вид:
O
Cp
1/2
-α(Δf)r
A(r, t)=(A/r)esin2πΔf(t-r/C),
O
Cp
где A(r, t) - текущая амплитуда звуковой волны, A - начальная амплитуда звуковой волны (т.е. амплитуда звуковой волны вблизи наружной поверхности обсадной колонны), r - расстояние, отсчитываемое от наружной стенки обсадной колонны, α(Δf) - коэффициент затухания звуковой волны, Δf - частота звуковой или инфразвуковой волны, С≈6000 м/с - скорость распространения звука в пласте.
Тогда глубина (L) проникновения звуковой волны, т.е. расстояние, на котором исходная амплитуда волны уменьшилась в e раз (примерно в 3 раза), может быть определена из выражения:
α(Δf)·L=1.
Используя экспериментальные значения величины α(f) (Кадет В.В., Трифонов А.В. Теоретическая оценка оптимальных параметров гидроимпульсного воздействия на ПЗС // Территория нефтегаз. - 2005. - №4. - С.58-60), устанавливают зависимость глубины (L) проникновения звуковой волны от ее частоты. Полученные данные приведены в таблице 2.
Таблица 2
f, Гц
1
10
50
100
1000
<α(f)>, 1/м
10<sup>-5</sup>
10<sup>-3</sup>
5·10<sup>-2</sup>
10<sup>-2</sup>
10<sup>-1</sup>
L, м
100000
100
4
1
0,01
Примечание: <α(f)> - среднее значение α(f).
Работает заявляемое устройство следующим образом.
O
Устройство для звукового воздействия на колонне НКТ опускается в скважину в интервал перфорации продуктивного пласта. При этом межтрубное пространство скважины между обсадной колонной и колонной НКТ, например, при закачке воды в пласт перекрыто пакером. После этого пускают скважину под закачку. Подаваемая под давлением по НКТ нагнетаемая жидкость через тангенциальные каналы 3 поступает внутрь вихревой камеры 2. Поток жидкости в вихревой камере 2 вызывает в ней периодические пульсации с частотой f скорости и давления, создавая тем самым звуковые волны давления, распространяющиеся в окружающей среде.
Одновременно с этим движущаяся в вихревой камере 2 жидкость стимулирует излучение звуковых волн горловинами 8 и 9 каждого из излучателей 5 и 6. Причем возбужденный в первой горловине 8 звук усиливается во второй горловине 9 и наоборот (при возвратном движении жидкости в вихревой камере 2), что повышает интенсивность излучаемого звука каждым излучателем 5 и 6 и коэффициент полезного действия каждого излучателя. Эти волны, пройдя стенки обсадной колонны, взаимодействуют в пласте (вследствие нелинейности свойств пористой среды) между собой, где в результате их взаимодействия возникают колебания разностной (низкой) частоты и суммарной (высокой) частоты.
Ki
П
Колебания высокой (суммарной) частоты (порядка 1000 Гц) затухают на глубинах проникновения ~0,01 м (таблица 2). Глубина же проникновения колебаний низкой (разностной, порядка 100 Гц и меньше, таблица 2) частоты соответствует 1,5 м и более. Близость частоты излучения излучателей f к частоте f собственных колебаний стенок обсадной колонны в окружном направлении в интервале перфорации повышает коэффициент прохождения акустической волны через стенку обсадной колонны. Поэтому и результирующая амплитуда разностной звуковой низкочастотной волны, бегущей по пласту, достаточно велика.
O
K1
K2
При этом необходимо, чтобы основная (т.е. наименьшая) частота f излучения вихревой камеры 2 была, как минимум, в четыре раза меньше частот f и f излучателей 5 и 6. Это связано с тем, что по условиям работы вихревой камеры 2 обтекание горловин 8 и 9 каждого излучателя 5 и 6 поступающей в вихревую камеру 2 жидкостью происходит в течение всего лишь одной четверти периода работы вихревой камеры. В последующий период в вихревой камере 2 возникает газовая полость, порождающая возвратные течения; скорость обтекания горловин 8 и 9 излучателей 5 и 6 движущейся в вихревой камере 2 жидкостью становится крайне малой, что исключает возбуждение ими звуковых волн. В последующий период времени входящая через тангенциальные отверстия 3 жидкость опять начинает двигаться с большой скоростью, освобождая вихревую камеру 2 от заполнившей ее жидкости и стимулируя излучение звука излучателями 5 и 6. И процесс повторяется.
O
O
Частота колебаний стенок обсадной колонны в окружном направлении в интервале перфорации равна f=4787 Гц (таблица 1). Выполняем габаритные размеры излучателей 5 и 6 в боковых стенках корпуса 1 устройства такими, чтобы собственные частоты их излучения были близки к f. Возможные габаритные размеры акустических излучателей 5 и 6 приведены в таблице 3.
O
Используя излучатели 5 и 6 с геометрическими размерами, приведенными в таблице 3, получаем в каждом излучателе 5, 6, с одной стороны, звуковые волны с частотой, близкой к частоте собственных колебаний стенок обсадной колонны в окружном направлении f=4787 Гц, а с другой стороны, обеспечиваем получение разностной низкочастотной волны с частотой Δf.
O
K1
K2
Близость частот излучаемых акустическими излучателями 5 и 6 к собственной частоте f колебаний обсадной колонны в окружном направлении в интервале перфорации позволяет увеличить коэффициент прохождения звуковой волны через стенку обсадной колонны, т.е. делает ее «прозрачной» для прохождения. И в тоже время формируется разностная волна низкой частоты Δf=|f-f|, которая наиболее глубоко проникает в пласт (от 1,5 м до 100 м).
Увеличение числа излучателей 5 и 6 или увеличение скорости движения жидкости в устройстве приведет к повышению интенсивности излучения излучателей и тем самым повышению интенсивности разностной звуковой волны. Как следствие - повышение эффективности воздействия на продуктивный пласт.
Устройство может быть использовано во всех нефтедобывающих районах страны уже в настоящее время. Изготовление его доступно любым механическим мастерским нефтедобывающих управлений. Оно универсально в использовании, его можно применять как в нагнетательной, так и в эксплуатационной скважинах, с любыми техническими характеристиками.