УСТРОЙСТВО ДЛЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗОНУ ПЕРФОРАЦИИ И НЕФТЕНОСНЫЙ ПЛАСТ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована при разработке нефтяных месторождений и очистке водозаборных и рудных скважин.
Известны различные способы и устройства, создающие механические воздействия на зону перфорации обсадной колонны и нефтяной пласт, расположенный за ней. Значительное число их проанализировано при подаче авторами данной полезной модели заявки №2003132257 от 05 ноября 2003 г. По которой федеральной службой по интеллектуальной собственности выдан патент №2263203 с приоритетом от 05 ноября 2003 г.
Список документов, цитированных в отчете о поиске содержит:
RU 2129659 С1 от 27.04.1999 г.
RU 2161244 С1 от 27.12.2000 г.
SU 1402991 А1 от 15.06.1988 г.
SU 1402991 А1 от 30.07.1988 г.
WO 96/12409 А1 от 22.04.1991 г.
US 5727628 А1 от 17.03.1998 г.
US 4184562 А1 от 22.01.1980 г.
Дополнительно рассмотрены документы:
SU 1413241 А1
RU 2.047.280 С1
US 4469175 А от 04.093.1984 г.
RU 2192651 С2 от 27.11,2002 г.
RU 2055979 С1 от 10.03.1996 г.
Прототипом для заявляемой полезной модели выбрано устройство, заявленное в патенте 2263203 с приоритетом от 05 ноября 2003 года. Сущность данного изобретения: устройство включает акустический излучатель составного типа в виде пьезокерамического стержня и пассивной задней накладки, помещенных в герметичный корпус, активную излучающую накладку в форме диска, размещенную за пределами герметичного корпуса и имеющую две плоские излучающие поверхности, перпендикулярные продольной оси устройства. При этом акустический излучатель снабжен, по меньшей мере, одним металлическим отражателем с плоскими поверхностями, параллельными плоским поверхностям активной излучающей накладки, установленным с возможностью перемещения вдоль оси устройства и фиксации в заданном положении.
Устройство используется для работы внутри обсадной колонны в зоне перфорации призабойной зоны. Такое устройство изготовлено и эффективно использовано для низкочастотного волнового воздействия на зону перфорации и продуктивный нефтяной пласт на месторождениях в Татарстане Тат-РИТЭК-нефть в июне-июле 2005 г. (добывающая скважина №2576) и октябре-декабре 2006 г. (скважины добывающие 2567, 3609, нагнетающая 2504). Рабочий диапазон частот данного устройства находится в окрестности 600÷800 Гц. В устройстве использован симметричный составной излучатель, у которого центральная секция состоит из пьезокерамических пакетов и гладких круглых металлических стержней.
Известно, что поглощение упругих колебаний в земной среде возрастает с ростом частоты колебаний. Поэтому для увеличения радиуса виброакустического воздействия на нефтяной пласт необходимо дальнейшее снижение рабочих частот. Расчеты приводятся,
например, в монографии О.Л.Кузнецова, Э.М.Силкина, Дж.Чилингара «Физические основы вибрационного и акустического воздействий на нефтегазовые пласты». (Изд. «МИР» Москва 2001 г.). Из приводимого научного материала следует, что при этом возможно возбуждение собственных частот в продуктивном слое, в диапазоне 90-200 Гц, величина которых зависит от толщины пласта. Это явление также должно приводить к увеличению нефтеотдачи пласта.
В общем случае снижение рабочей частоты акустического излучателя, в том числе и составного, связано с увеличением его размеров. У составного излучателя - с увеличением его длины.
Расчет составного излучателя приводится в многочисленных научных источниках, относящихся к созданию гидроакустических антенн, например, Камп Л. Подводная акустика М.: МИР, 1972 г., стр.50-56; Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны: Учебник. - Л.: Судостроение, 1988 г.
На фиг.1 приведен рисунок эквивалентного полуволнового составного резонатора, а на фиг.2 амплитуда колебательного смещения, элементов резонатора.
1 - пассивная накладка
2 - центральная секция
3 - активная накладка
Резонансная частота находится из одного любого уравнения:
2
3
2
3
tgktgkb=Zm/Zm
или
2
1
2
1
tgkqtgkL=Zm/Zm
1
1
1
p
1
k - волновое число в среде 1. k=2π/λ=2πf/с;
2
2
2
p
2
k - волновое число в среде 2. k=2π/λ=2πf/с;
3
3
3
p
3
k - волновое число в среде 3. k=2π/λ=2πf/c;
p
f - резонансная рабочая частота
1
2
3
1
1
1
2
2
2
3
3
3
Z, Z, Z - механические импедансы, соответственно равны с ρcS, ρсS, ρсS.
с - скорость распространения звуковых колебаний в средах 1, 2, 3.
1
2
3
S, S, S, - площадь сечения элементов 1, 2, и 3.
1
2
3
ρ, ρ, ρ, - площадь сред 1, 2, 3, соответственно
1
3
1
2
При симметричном составном излучателе c=c, ρ=ρ и массы накладок 1 и 3 равны.
2
3
2
1
Анализ показывает, что снижение резонансной рабочей частоты может производиться в основном путем увеличения длины средней (центральной) секции вибратора. Этот же эффект может достигаться уменьшением «жесткости» центральной секции 2 уменьшением ее сечения или выбором «мягкого» материала с малым модулем Юнга. Это ведет к уменьшению отношения Zm/Zm или Zm/Zm.
В практическом плане эти возможности очень ограничены. В качестве материала накладок могут быть использоваться только металлы. (Реально - только сталь). Внутренние диаметры эксплутационной обсадной колонны составляют 5÷6 дюймов, т.е. 127÷152 мм.
Учитывая толщину герметизирующего корпуса, диаметр центрального стержня, состоящего из пьезокерамики или магнитострикционного материала, не может превышать 70 мм.
Устройство - прототип, имеет длину 2,5 м при внешнем диаметре герметизирующего корпуса 70 мм и внутренним диаметре 50 мм. Оно имеет центральную секцию, состоящую из пьезокерамических пакетов и круглых дюралюминиевых стержней. Снижение рабочей частоты до 175 Гц без изменения конструкции центральной секции,
автоматически потребовало бы увеличения длины этой части устройства в четыре раза, т.е. до ≈10 метров.
Центральную секцию тонкой делать нецелесообразно, т.к. будет нарушена механическая прочность излучателя.
В радиотехнических устройствах широкое применение находили линии задержки, составленные из L, C фильтров нижних частот с сосредоточенными параметрами, так называемые К, М или Т звенья. На фиг.3 приведена линия задержки из нескольких таких звеньев типа К.
L - индуктивность электрического звена
э
С - емкость электрического звена
Время распространения электрических сигналов по такой линии в области низких частот , где n - число звеньев.
1
Может быть создана и механическая линия задержки, т.к. между формулами для электрических и механических процессов существует подобие. Это может быть использовано для получения низкой скорости с в центральной секции составного излучателя. Расчеты приведены, например, в книге Гарри Ф.Ольсона «Динамические аналоги» (Гос. Издательство иностранной литературы, Москва 1947 стр.53 и 103)
Эквивалентная механическая схема состоит из масс и элементов упругости.
Такая линия создается из стержня переменного сечения.
m
Роль индуктивности в электрических формулах играет масса, в механических формулах роль емкости - механическая сжимаемость C. Чем больше масса и чем тоньше стержень, тем ниже скорость распространения упругих волн вдоль стержня. Конфигурация волновода показана на фиг.4. Такой волновод называют «ребристым».
Техническим результатом заявленной полезной модели является создание конструкции составного излучателя, обеспечивающей существенное снижение рабочей частоты. По сравнению с прототипом при примерно одинаковых длинах излучателей достижимое снижение частоты доходит до 3-х раз.
Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит акустический излучатель составного типа, состоящий из двух пьезокерамичеких или магнитострикционных цилиндров, которые одним торцом через герметизирующий цилиндр соединяют друг с другом, а другим торцом механически соединяют через конический концентратор с «биметаллическим» ребристым волноводом. Биметаллическим волновод назван потому, что его изготовляют из двух металлов существенно отличающихся по своим физическим свойствам. Второй конец одного «ребристого» волновода механически соединяют с активной накладкой излучателя. Поверхность круглого стержня из легкого металла покрывают резьбой, с помощью которой на стержне равномерно по его длине располагают «ребра» - шайбы из тяжелого металла.
Металлом для стержня предпочтительно выбирать алюминиевый сплав или титан. «Ребра» предпочтительнее изготавливать из латуни, меди или стали.
m
Конфигурацию ребер выбирают такой, чтобы обеспечить максимальную величину сосредоточенной массы и максимальную сжимаемость С. С наружной стороны конструкцию герметизируют.
На фиг.5 представлена конструкция заявленной полезной модели.
Устройство включает акустический излучатель составного типа, содержащий один или несколько цилиндрических пьезокерамических или магнитострикционных пакетов 1 и 2, симметрирующую соединительную муфту 3, согласующие конические концентраторы 4 и 5, биметаллические ребристые волноводы 6 и 7, активную накладку 8, пассивную накладку 9, герметизирующие защитные корпусы 10 и 11, герметичный разъем 12, кабель КГ3 13, держатель отражателя 14 и отражатель 15.
Работа устройства выполняется следующим образом. Устройство опускают на кабеле 13 в обсадную колонну в зону перфорации 16.
Возбуждающее напряжение в области резонансной частоты излучателя по кабелю подается на излучатель. Внутри объема жидкости между активной накладкой и отражателем возникает поле стоячих волн.
В связи с тем, что жесткость стальных стенок обсадной колонны существенно больше упругости жидкости, а общая площадь отверстий много меньше площади боковой поверхности обсадной колонны, увеличение интенсивности воздействия колебаний внутри резонирующих объемов может быть существенно больше по сравнению с интенсивностью, создаваемой излучателем в свободном пространстве.