УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТЕНКИ СКВАЖИНЫ
FACILITY FOR ACOUSTIC EFFECT ONTO WALLS OF WELL BORE

Изобретение относится к области эксплуатации буровых скважин, а именно к средствам акустического воздействия на стенки скважины, и может быть использовано, например, при добыче нефти.
Известно устройство для акустического воздействия на стенки скважины, обеспечивающее увеличение притока нефти, в котором источник акустического воздействия, устанавливаемый в зоне нефтенесущего пласта, представляет собой гидравлический вибратор [1].
Недостаток этого устройства заключается в том, что его вибратор работает на частоте нескольких сотен герц, в результате чего стенки скважины подвергаются разрушающему воздействию низкочастотных колебаний.
Известно также устройство для акустического воздействия на стенки скважины, включающее магнитострикционный преобразователь, устанавливаемый в зоне нефтенесущего пласта, ультразвуковой генератор, расположенный на поверхности земли, и питающий кабель, который электрически соединяет между собой ультразвуковые генератор и преобразователь [2].
Недостатком этого устройства, работающего в ультразвуковом диапазоне частот более благоприятном для стенок скважины, является наличие больших энергетических потерь в питающем кабеле, соединяющем наземную и скважинную части устройства.
Кроме того, известно устройство для акустического воздействия на стенки скважины, содержащее соединенные между собой посредством питающего кабеля ультразвуковой генератор (например, типа УЗГ-3-4), который вследствие больших габаритных размеров корпуса (700×1500×700 мм), превышающих диаметр скважины, расположен на поверхности земли, и акустический излучатель, который (установлен в полости скважинного снаряда, имеющего полый цилиндрообразный корпус) образован умножителем частоты, магнитострикционным преобразователем (согласно описанию устройства он выполнен без излучающего звена) и электронагревателем в виде ТЭНа. Большие габаритные размеры ультразвукового генератора этого устройства в значительной степени обусловлены тем, что его функциональные блоки имеют пространственное расположение, поскольку их составные элементы, в зависимости только от собственных габаритов и веса, установлены на различных шасси, закрепленных как на основании, так и на стенках корпуса [3].
Такое конструктивное решение, в сравнении его с вышеохарактеризованным, существенно усложняет устройство, но позволяет уменьшить энергетические потери в питающем кабеле. Однако оно не устраняет эти потери полностью, поскольку питающий кабель, соединяющий наземную и скважинную части устройства, т.е. ультразвуковые генератор и преобразователь, все же имеет значительную длину.
Это и является основным недостатком данного устройства, которое по своей технической сущности и результату, достигаемому при его использовании, является наиболее близким к предлагаемому и принято в качестве прототипа.
Вторым существенным недостатком этого устройства является то, что его магнитострикционный преобразователь (например, стержневого типа) выполнен без излучающего звена. В результате этого ультразвуковые колебания распространяются вдоль оси скважины и не имеют непосредственной направленности на стенки скважины. Вследствие этого суммарная продолжительность акустического воздействия на стенки скважины увеличивается, а вместе с ней увеличивается и расход электроэнергии.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение энергетических потерь.
Данный технический результат в устройстве для акустического воздействия на стенки скважины, включающем ультразвуковой генератор, образованный несколькими электрически соединенными между собой функциональными блоками, скважинный снаряд в виде полого корпуса и ультразвуковой преобразователь, преимущественно магнитострикционный, который установлен в полости корпуса скважинного снаряда и посредством обмотки возбуждения соединен с ультразвуковым генератором, достигается за счет того, что функциональные блоки ультразвукового генератора выполнены последовательно расположенными один за другим и установлены в скважинном снаряде, корпус которого выполнен секционным, при этом ультразвуковой преобразователь установлен в одной из секций скважинного снаряда и дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним излучающим звеном, которое выведено из корпуса скважинного снаряда.
Достижению технического результата способствует также и то, что:
- излучающее звено выполнено в виде трансформатора направления колебаний;
- трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно составным, а габариты каждой его составной части имеют резонансные размеры;
- трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно в виде полого цилиндра, один конец которого закруглен, а другой оснащен заглушкой и соединен с рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя;
- трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно из титанового сплава;
- секции корпуса скважинного снаряда выполнены герметичными и изолированы одна от другой;
- секции корпуса скважинного снаряда выполнены преимущественно с разными габаритными размерами;
- секции корпуса скважинного снаряда расположены преимущественно последовательно одна за другой;
- секции корпуса скважинного снаряда взаимосвязаны между собой преимущественно с обеспечением возможности их относительного перемещения, по меньшей мере, в одной плоскости;
- в одной секции корпуса скважинного снаряда расположены полностью или частично составные элементы, по меньшей мере, одного функционального блока ультразвукового генератора;
- ультразвуковой преобразователь установлен преимущественно в крайней секции скважинного снаряда;
- ультразвуковой преобразователь установлен в нижней секции скважинного снаряда.
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически представлено предлагаемое устройство.
Ниже приводится пример конкретного выполнения предлагаемого устройства, не исключающий других вариантов его выполнения в объеме формулы изобретения.
Наземная часть устройства представляет собой крышку 1 скважины, через которую с помощью роликов 2 и 3, установленных на специальных подставках (не показаны), пропущены электрокабель 4, подключенный к промышленной электрической сети (380 В, 50 Гц), и металлический трос 5, удерживающий скважинный снаряд на заданной глубине. Электрокабель, взаимосвязанный с пультом управления 6 (кнопки «ВКЛ» и «ВЫКЛ», ручка регулировки потребляемой мощности), и трос 5 имеют необходимую длину и намотаны на вращающиеся барабаны 7 и 8, которые установлены на специальных стойках (не обозначены).
Скважинная часть устройства, обеспечивающая акустическое воздействие на стенки 9 скважины, состоит из скважинного снаряда 10, ультразвукового генератора 11, ультразвукового преобразователя 12 и излучающего звена 13.
Скважинный снаряд 10 выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, который по его высоте специальными перегородками (не обозначены) разделен на пять герметичных и изолированных одна от другой секций 14. Корпус скважинного снаряда снабжен крышками (не обозначены), верхняя из которых имеет отверстие для прохода электрокабеля 4 и взаимосвязана с тросом 5. Секции 14 скважинного снаряда 10 выполнены с одинаковыми габаритными размерами (внешний диаметр, высота, толщина стенки), расположены последовательно одна за другой (по одной общей для них оси) и жестко взаимосвязаны между собой, т.е. без наличия возможности их относительного перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Ультразвуковой генератор 11 образован электрически соединенными между собой пультом управления 6 и несколькими функциональными блоками 15 (например, блок подачи питания, силовой блок, блок подмагничивания, блок управления), которые в корпусе скважинного снаряда расположены последовательно один за другим, размещены в его отдельных секциях 14 и электрически взаимосвязаны между собой через перегородки секций.
Ультразвуковой двухстержневой магнитострикционный преобразователь 12, например полуволновой длины, установлен в нижней (крайней) секции скважинного снаряда 10. Он имеет одну рабочую поверхность (на вторую его излучающую поверхность наклеена резина, не показана) и оснащен обмоткой возбуждения 16, которая уложена на его стержни и соединена с выходным блоком ультразвукового генератора 11.
Излучающее звено 13 ультразвукового преобразователя 12 выполнено в виде трансформатора направления колебаний, который изготовлен из титанового сплава (ВТ-3) и выведен из корпуса скважинного снаряда через его нижнюю крышку. Он представляет собой полый цилиндр, один из концов которого выполнен закругленным, а второй заглушен пробкой и жестко соединен с рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя 12. Причем полый цилиндр выполнен составным (в виде отдельных волноводов 17, имеющих резонансные размеры) и может иметь суммарную длину более одного метра, в то время как длина ультразвукового генератора 11 (достаточно высокой мощности) не превышает 55-60 сантиметров.
Предлагаемое устройство, при создании ультразвуковой части которого можно воспользоваться общедоступной информацией (например, книгой В.О.Абрамова, О.В.Абрамова и др. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении, М., Янус-К, 2006, стр.17-66), эксплуатируется следующим образом.
Предварительно скважинный снаряд 10 посредством троса 5 опускают в скважину 9 и располагают его в требуемой зоне, например на одном из участков нефтенесущего пласта. Затем, включая соответствующую кнопку пульта управления 6, на ультразвуковой генератор 11 по электрокабелю 4 подают электрическую энергию от сети промышленной частоты, которую он и преобразует в ток ультразвуковой частоты, поступающий на обмотку возбуждения 16 ультразвукового преобразователя 12. Под действием магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения 16, преобразователь 12 начинает совершать продольные колебания с ультразвуковой частотой, которые и передаются излучающему звену 13. Продольные колебания преобразователя 12, поступающие в излучающее звено 13, т.е. в трансформатор направления колебаний, преобразуются им в радиальные колебания его боковой поверхности (на чертеже показано горизонтальными стрелками). Эти колебания распространяются через жидкость, заполняющую скважину, и воздействуют на нефтенесущий пласт, обеспечивая, в конечном счете, увеличение притока нефти. По истечении соответствующего времени акустического воздействия на стенки скважины все оборудование отключают от электрической цепи и приводят его в исходное положение.
К другим примерам конкретного выполнения предлагаемого устройства, в первую очередь, следует отнести различные вариации с выполнением секций скважинного снаряда и размещением в них функциональных блоков ультразвукового генератора и их составных элементов. Это является весьма актуальным на стадии разработки и создания устройства и не влияет на эффективность его работы в процессе эксплуатации.
Секции скважинного снаряда (все или часть из них) могут быть выполнены с разными габаритными размерами из одного и того же или из разных материалов. Они могут быть расположены рядом одна с другой и взаимосвязаны между собой с обеспечением возможности их относительного перемещения, по меньшей мере, в одной плоскости. При этом в каждой из них можно расположить полностью или частично составные элементы двух или трех функциональных блоков ультразвукового генератора.
Эффективность работы предлагаемого устройства определяется в основном конструкциями ультразвукового преобразователя и излучающего звена и их количеством. В этой части следует отметить, что преобразователь может быть выполнен магнитострикционным кольцевым или же пьезокерамическим и он может быть расположен в центре скважинного снаряда или в его верхней части. Оптимальным представляется вариант, когда используется стержневой магнитострикционный преобразователь и каждая его излучающая (рабочая) поверхность снабжена соответствующим излучающим звеном.
Как показали экспериментальные исследования, в сравнении с известным устройством, использование современных комплектующих изделий, последовательное расположение функциональных блоков ультразвукового генератора и их размещение в скважинном снаряде позволяют получить практически полное снижение энергетических потерь, т.к. на участке между генератором и преобразователем питающий кабель отсутствует, а оснащение ультразвукового преобразователя излучающим звеном, трансформирующим направление распространения колебаний, - сократить суммарную продолжительность акустического воздействия на стенки скважины и тем самым в значительной степени уменьшить общие энергетические потери.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить простое и достаточно надежное достижение вышеуказанного технического результата.
Источники информации
1. Гадиев С.М. Использование вибраций в добыче нефти. М., «Недра», 1977.
2. Макаров В.Н. и др. Первые результаты применения ультразвука в борьбе с отложением солей в нефтепромысловом оборудовании на Шаимском месторождении. - "Нефтепромысловое дело", М., ВНИИОЭНТ, 1978, №6, с.23.
3. Авторское свидетельство СССР, №989048, МКИ Е21В 43/00, 1981 г.