СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕТОВЫХ И УДАРНЫХ ВОЛН В ЖИДКОСТИ
METHOD AND APPARATUS FOR OBTAINING OPTICAL AND IMPACT WAVES IN LIQUID

Изобретение относится к способам получения мощных световых и акустических импульсов в проводящей жидкости и может быть использовано в нефтяной промышленности для очистки призабойных зон нефтяных скважин, обсадных колонн и колонн НКТ от асфальто-смолистых и парафиновых отложений, а также в технологиях морской и скважинной сейсморазведки полезных ископаемых.
Известен способ возбуждения упругих волн в толще земной коры при сейсмической разведке (см. а.с. СССР 106338. Авторы Л.А.Юткин, Л.И.Гольцова, заявл. 13.07.53, опубл. в БИ №5, 1957 г.), заключающийся в том, что для возбуждения упругих волн применяют импульсный электрический разряд, создаваемый между электродами, подключенными к высоковольтному конденсатору и погруженными в водоем либо в скважину в земле, заполненную жидкостью.
Кпд данного способа растет при уменьшении активной (т.е. соприкасающейся с жидкостью) площади положительного электрода и одновременном увеличении активной площади отрицательного электрода, а также при условии максимального сокращения фронта импульса напряжения, укорочения длительности импульса тока и обеспечении формы импульса тока, близкой к апериодической (см. книгу Л.А.Юткин. «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986. - 253 с., ил.).
Однако данный способ не позволяет сконцентрировать значительную часть энергии заряженной конденсаторной батареи в тонком канале разряда и получить мощную ударную волну, т.е. обеспечить необходимую дальность сейсморазведки, если жидкость является проводящей, например, морской водой или минерализованной обводненной нефтью (в них ток растекается по всему объему жидкости).
Известен также способ получения световых и ударных волн в проводящей жидкости - электролите (см. статью Санкин Г.Н., Дрожжин А.П., Ломанович К.А., Тесленко B.C. Многоочаговый диафрагменный генератор ударных волн в жидкости. // Приборы и техника эксперимента, 2004, №4. C.114-118), заключающийся в том, что для возбуждения световых и ударных волн в проводящей жидкости (электролите) применяют многоочаговый электрический разряд, создаваемый между электродами, разделенными перфорированным диэлектрическим барьером, погруженными в проводящую жидкость и подключенными к высоковольтному источнику питания.
Реализован данный способ в генераторах плоских и сферических световых и ударных волн. В первом из них (см. рис.1 вышеуказанной статьи) электроды выполнены из нержавеющей стали в виде сетки. В качестве проводящей жидкости использовался водный раствор поваренной соли с концентрацией соли по массе 5%. Проводящая жидкость заливалась в кювету из прозрачного органического стекла. Электроды погружались в жидкость и располагались параллельно друг другу. Расстояние между электродами составляло 60 мм. Перфорированный диэлектрический барьер представлял собой лавсановую пленку толщиной 0,05 мм с множественными отверстиями (10 рядов по 10 отверстий) диаметром 0,4-0,5 мм. Пленка располагалась между сетчатыми электродами ближе к высоковольтному электроду и делила кювету на две части. Источником питания служила конденсаторная батарея емкостью 2 мкФ, заряженная до напряжения 6 кВ и подключенная к электродам через управляемый разрядник РУ-62.
Кинограммы формирования и распространения ударных волн в генераторе плоских световых и ударно-акустических волн (от плоского излучателя в электролите) показали, что ударные волны на отверстиях лавсановой диафрагмы возникают синхронно. Разряд на каждом отверстии формирует сферически расходящуюся волну давления. Результатом суперпозиции этих волн является плоская ударная волна. Распределение амплитуды импульса давления вдоль и поперек оси плоского излучателя колоколообразное. В точке фокуса при 1400 отверстиях в диафрагме амплитуда импульса давления достигает 17 МПа, длительность импульса давления 0,9 мкс.
Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является их отсутствие (неприменение) в промышленности. Они используются только в научных лабораториях, где исследуются процессы кавитации, сонолюминесценции и разрушения почечных камней.
Наиболее близким способом по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения световых и ударно-акустических волн в проводящей жидкости - электролите (см. статью Тесленко B.C., Медведев Р.Н., Дрожжин А.П. Самосинхронизация электрогидродинамических автоколебаний при многоочаговых разрядах в электролите. // Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып.19, с.55-63), заключающийся в том, что для возбуждения световых и ударно-акустических волн в проводящей жидкости (электролите) применяют многоочаговый электрический разряд, создаваемый между электродами, разделенными перфорированным диэлектрическим барьером, погруженными в проводящую жидкость и подключенными к высоковольтному источнику питания, при этом для самосинхронизации электродинамических автоколебаний многоочаговых разрядов в жидкости в разрядную цепь (между источником питания и электродами) включают дополнительную индуктивность.
В устройстве для осуществления данного способа использовались следующие варианты перфорирования диэлектрического барьера и изготовления концентраторов тока: а) два концентратора тока в виде отверстий диаметром 0,26-0,28 мм в тефлоновой пленке толщиной 20 мкм; б) пять концентраторов тока в виде срезов из платиновых проволочек диаметром 0,5 мм, установленных заподлицо в резиновой пластине; в) 32 концентратора тока из стальных проволочек диаметром 0,4 мм в виде срезов, выполненных заподлицо в пластине из эпоксидной смолы; г) 56 концентраторов тока из стальных проволочек диаметром 0,2 мм в виде срезов, выполненных заподлицо в пластине из эпоксидной смолы.
Диэлектрический барьер (или диафрагма) с отверстиями или концентраторами тока располагался в центре двух кювет, выполненных из оргстекла и на одинаковом расстоянии от металлических электродов. Использование двух геометрически разделенных кювет связано с исключением взаимного влияния гидродинамических процессов между генерируемыми пузырьками в катодной и анодной областях (кюветах). Эксперименты проводились в водном растворе хлорида натрия с концентрацией 1%. В качестве источника питания использовался конденсатор емкостью 100 мкФ, заряженный до напряжения 200-400 В. Коммутация тока осуществлялась электромеханическим разрядником. Собственная индуктивность разрядной цепи составляла 5 мкГн. Для автосинхронизации разрядов в разрядную цепь включалась дополнительная индуктивность величиной 0,8 мГн или 7,7 мГн (в 160 раз или 1540 раз большая, чем собственная индуктивность разрядной цепи).
Результаты киносъемки генерируемых при разряде пузырьков и осциллограммы разрядного тока показали, что при включении в разрядную цепь дополнительной индуктивности наблюдается выравнивание фаз пульсаций всех паровоздушных пузырьков и импульсов света над концентраторами тока. Увеличение числа концентраторов тока приводит к уменьшению величины дополнительной индуктивности, необходимой для развития самосинхронизации разрядов.
Недостатки способа-прототипа и устройства для его осуществления такие же, как у второго аналога, - это исследовательский характер и узкая область применения. Например, на основе данного способа его авторы предлагают создавать жидкостные коммутаторы тока с релаксационными свойствами (см. статью Тесленко B.C., Зайковский А.В., Медведев Р.Н. Жидкостный коммутатор тока - генератор напряжения. // Труды 12 Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам, Новосибирск, Россия, 13-18 июля 2008 г.).
Задачей изобретения является создание нового класса различных по конструкции, геометрии, энергии, мощности и областям применения источников световых и ударно-акустических волн с многоочаговым диафрагменным электрическим разрядом.
Технический результат изобретения - расширение области применения способа в добывающую промышленность и разведку полезных ископаемых.
Технический результат изобретения достигается тем, что в известном способе возбуждения световых и ударных волн в проводящей жидкости - электролите, где применяют многоочаговый электрический разряд, создаваемый между электродами, разделенными перфорированным диэлектрическим барьером, погруженными в проводящую жидкость и подключенными к высоковольтному источнику питания, при этом для самосинхронизации электродинамических автоколебаний многоочаговых разрядов в жидкости в разрядную цепь включают дополнительную индуктивность, новым является то, что в качестве дополнительной индуктивности используют длинный изолированный проводник или экранированный кабель, на котором один или оба электрода спускают в море, океан или скважину.
Кроме того, в качестве длинного проводника используют высоковольтный провод для систем зажигания; в качестве экранированного кабеля - высоковольтный коаксиальный кабель, или геофизический кабель, или кабель питания погружных электроцентробежных насосов; в качестве одного из электродов используют корпус корабля или обсадную колонну скважины.
Технический результат изобретения достигается тем, что в известном устройстве для возбуждения световых и ударных волн в проводящей жидкости - электролите, где применяют многоочаговый электрический разряд, содержащем резервуар с проводящей жидкостью, два электрода, разделенные перфорированным диэлектрическим барьером, погруженные в проводящую жидкость и подключенные к высоковольтному источнику питания через дополнительную индуктивность, новым является то, что в качестве резервуара для жидкости использован естественный водоем, например море или океан, или искусственный водоем, например артезианская или нефтяная скважина, а дополнительная индуктивность выполнена в виде длинного изолированного проводника или одной или нескольких жил экранированного кабеля, на котором один или оба электрода спущены в море, океан или скважину.
Кроме того, в качестве высоковольтного источника питания применен трансформатор напряжения, или высоковольтный выпрямитель, или конденсаторная батарея, располагаемые на поверхности земли, или на корабле, или в скважине.
Использование в качестве дополнительной индуктивности длинного изолированного проводника или экранированного кабеля, например высоковольтного коаксиального кабеля, или геофизического кабеля, или кабеля для электроцентробежных погружных насосов, позволяет:
- использовать длинный изолированный проводник или экранированный кабель как средство доставки одного высоковольтного электрода или обоих электродов на большую глубину, например на дно моря или океана, и осуществлять там излучение ударно-акустических волн и применять их для целей глубинной сейсморазведки;
- спустить на геофизическом кабеле или кабеле для электроцентробежных насосов высоковольтный электрод или оба электрода непосредственно на забой нефтяной скважины или разместить электроды под электроцентробежным насосом и, подав с поверхности земли напряжение на кабель, вести светорадиационную и ударно-волновую обработку добываемой нефти непосредственно на забое скважины, снижая при этом ее вязкость, облегчая работу насоса и добычу в целом нефти;
- опуская или поднимая при помощи каротажного подъемника геофизический кабель или кабель питания для электроцентробежных насосов с электродами и подавая при этом на кабель электропитание, можно осуществлять очистку интервала перфорации и внутренней поверхности обсадной колонны или колонны насосно-компрессорных труб от асфальто-смолистых и парафиновых отложений.
При этом индуктивности высоковольтного коаксиального кабеля, или геофизического кабеля, или кабеля питания для погружных насосов (0,14-0,23 мГн или 1,4-3,6 мГн на 1 км длины кабеля соответственно) достаточно для самосинхронизации электродинамических автоколебаний многоочаговых разрядов и, соответственно, световых и ударных волн в зоне электродов. Кроме того, высокое допустимое рабочее напряжение высоковольтных коаксиальных кабелей (до 50 кВ) и кабелей для погружных насосов (4-5 кВ) позволяет увеличить длину электродов и число концентраторов тока на электродах, т.е. длину зоны светорадиационного и ударно-волнового воздействия на морскую воду, добываемый скважинный флюид - сырую нефть, асфальто-смолистые и парафиновые отложения на стенках обсадной колонны и т.д.
Применение в качестве источника питания трансформатора напряжения позволяет:
- улучшить согласование многоочагового диафрагменного разряда в проводящей жидкости (нелинейной во времени индуктивно-резистивной нагрузки) с промышленной электрической сетью, а именно уменьшить вносимое в первичную обмотку трансформатора достаточно большое активное сопротивление диафрагменного разряда;
- увеличить коэффициент передачи электрической энергии в многоочаговый диафрагменный разряд, так как вторичная обмотка трансформатора имеет индуктивность значительно превышающую индуктивность длинного геофизического кабеля или кабеля для электроцентробежных насосов.
Применение в качестве источника питания высоковольтного выпрямителя позволяет уменьшить потери электрической энергии при передаче ее к многоочаговому диафрагменному разряду через длинный геофизический кабель или кабель питания для электроцентробежных насосов. Например, на постоянном токе токопроводящие жилы геофизического кабеля имеют минимальное активное сопротивление 24-25 Ом/км, а на переменном токе это сопротивление увеличивается, в результате, например, на частоте 4 кГц на геофизическом кабеле длиной 5 км теряется большая часть - 66% электрической энергии наземного источника электропитания.
Отличительных признаков заявляемого способа среди патентов РФ и научной литературы не обнаружено, что свидетельствует о его новизне и изобретательском уровне.
Заявляемый способ включает в себя следующие операции:
а) используют естественный водоем с соленой и, соответственно, проводящей водой, например море, или океан, или нефтяную скважину с обводненной и минерализованной нефтью;
б) изготавливают, по крайней мере, один высоковольтный электрод с перфорированной изоляцией на его поверхности, при этом диаметр отверстий в изоляции или диаметр проволок - концентраторов тока выполняют не более 0,5 мм, число отверстий или концентраторов тока берут из условия достижения тока 0,3-0,4 А через каждое отверстие или концентратор тока;
в) берут отрезок стандартного высоковольтного провода для систем зажигания или отрезок высоковольтного коаксиального кабеля, или геофизического кабеля, или кабеля для электроцентробежных насосов, при этом длина отрезка вышеуказанного провода или кабеля должна быть не меньшей глубины погружения высоковольтного электрода в проводящую жидкость;
г) присоединяют высоковольтный электрод с перфорированной изоляцией к длинному изолированному проводу или к жиле (жилам) высоковольтного коаксиального кабеля, или геофизического кабеля, или кабеля для электроцентробежных насосов;
д) опускают на изолированном проводе или экранированном кабеле высоковольтный электрод с перфорированной изоляцией в проводящую жидкость, находящуюся в море, океане или в скважине;
е) подключают верхний конец изолированного провода или жилы экранированного кабеля, связанные с высоковольтным электродом, к высоковольтному полюсу источника питания, а заземленный полюс высоковольтного источника питания соединяют с корпусом корабля, или обсадной колонной или броней (наружной оплеткой) экранированного кабеля;
ж) включают высоковольтный источник питания, например трансформатор напряжения, высоковольтный выпрямитель или конденсаторную батарею, и подают напряжение на высоковольтный электрод, при этом с высоковольтного электрода с перфорированной изоляцией, обеспечивающей многоточечный контакт с проводящей жидкостью, развивается многоочаговый диафрагменный электрический разряд;
д) от каждого канала (очага) разряда на поверхности изолированного высоковольтного электрода распространяются сферически расходящиеся световая и ударная волны. Эти волны самосинхронизированы и многочисленны и складываются в единый фронт с образованием плоской или цилиндрической (повторяющей геометрию высоковольтного электрода) световой и ударной волн. Яркостная температура на фронте световой волны достигает 5000-9000°К, амплитуда ударной волны превышает 17 МПа (170 атм). Эти световые и ударные волны следуют (повторяются), например, в случае использования конденсаторной батареи через каждые 0,2 мс; в случае использования промышленного трансформатора через 20 мс;
э) энергию этих световых и ударных волн от многоочагового разряда используют для совершения многочисленных видов работ: морской сейсморазведки, очистки призабойной зоны скважины и обсадной колонны от асфальто-смолистых отложений; снижения вязкости добываемой нефти и пр.
На фиг.1-3 представлены разрезы трех различных устройств для реализации заявляемого способа.
Первое и второе из предлагаемых устройств предназначены для очистки нефтяных скважин от асфальто-смолистых отложений и межскважинного сейсмопросвечивания, третье устройство - для морской сейсморазведки и уплотнения донных грунтов.
Первое устройство, которое автором названо как двухэлектродная система с многоочаговым разрядом, имеет коаксиальную конструкцию и содержит (см. фиг.1) центральный высоковольтный электрод - анод 1 и наружный заземленный электрод -корпус 2. Высоковольтный электрод - анод 1 покрыт эпоксидной изоляцией 3 со всех сторон (как на боковой поверхности, так и с торцов). В наружном электроде-корпусе 2 выполнен ряд (от 20 до 60) конических отверстий (зенковок) 4. Через эти отверстия тонкими сверлами диаметром не более 0,5 мм выполнена перфорация эпоксидной изоляции 3 на высоковольтном электроде 1 и таким образом осуществлен множественный электрический контакт металлической поверхности анода 1 с проводящей жидкостью - морской водой или обводненной и минерализованной скважинной жидкостью. Диаметр внутреннего электрода равен 30 мм, диаметр наружного электрода-корпуса 50 мм. В верхней части корпуса 2 установлена стандартная зондовая головка 5 марки НКБ-3-36. Все три контакта (штыря) зондовой головки 5 соединены проводниками 6 с центральным электродом 1, а корпус зондовой головки 5 - с наружным электродом 2.
Во втором устройстве (см. фиг.2), которое автором названо как мультиэлектродная система с многоочаговым разрядом, центральный высоковольтный электрод - анод 1 выполнен трехсекционным, при этом каждая секция электрода выполнена в поперечном сечении в виде 120-градусного металлического сектора и изолирована со всех сторон при помощи эпоксидного или кремнийорганического компаунда 3. Секции анода 1 установлены внутри сетчатого заземленного электрода - корпуса 2 и подключены каждая к отдельной жиле (фазе) кабеля для электроцентробежных насосов. Диаметр высоковольтного электрода - анода 1 по изоляции равен 60 мм, диаметр наружного сетчатого электрода 2 составляет не более 62 мм. В эпоксидной изоляции 3 (по центру ячеек сетчатого корпуса 2) тонкими сверлами диаметром не более 0,5 мм выполнено от 200 до 600 отверстий на цилиндрических поверхностях секций высоковольтного электрода-анода 1. Таким образом осуществлен множественный электрический контакт металлической поверхности каждой секции анода 1 с проводящей жидкостью - обводненной и минерализованной скважинной жидкостью.
Третье устройство автором названо как донный излучатель и представляет собой коаксиально-дисковую конструкцию, содержащую (см. фиг.3) центральный высоковольтный электрод - анод 1 и наружный заземленный электрод - корпус 2. Высоковольтный электрод - анод 1 покрыт эпоксидной изоляцией 3 со всех сторон (как на боковой поверхности, так и с торцов). В нижней (донной) части наружного электрода-корпуса 2 равномерно по кругу выполнены от 100 до 600 конических отверстий (зенковок) 4. Через эти отверстия тонкими сверлами диаметром не более 0,5 мм выполнена перфорация эпоксидной изоляции 3 на высоковольтном электроде 1 и таким образом осуществлен множественный электрический контакт металлической поверхности анода 1 с проводящей жидкостью - морской водой. Диаметр внутреннего электрода 1 равен 1130 мм, диаметр наружного электрода - корпуса 2 равен 1250 мм. В верхней части корпуса 2 закреплен высоковольтный разъем, к которому присоединен высоковольтный коаксиальный кабель 5 марки РК-50-11-17. Жила кабеля 5 присоединена внизу к высоковольтному электроду 1, вверху к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора 6. Оплетка кабеля 5 присоединена внизу к наружному электроду-корпусу 2 излучателя, вверху - к корпусу корабля. Для облегчения спуска и повышения устойчивости донного излучателя (снижения отдачи при работе) он пригружается сверху коническим грузом 7.
2
Работают устройства фиг.1-3 примерно одинаковым образом. Поэтому детально опишем работу только одной из них - двухэлектродной системы с многоочаговым разрядом (см. фиг.1). Вначале к зондовой головке 5 двухэлектродной системы присоединяется через кабельный наконечник стандартный трехжильный геофизический кабель КГ 3×0,75-60-130, и двухэлектродная система при помощи геофизического кабеля и каротажного подъемника ПКС-5М спускается через колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) на забой нефтяной скважины с обводненной и минерализованной скважинной жидкостью. Затем к коллектору каротажного подъемника (к жилам и броне геофизического кабеля) подключается конденсаторная батарея емкостью 100 мкФ и напряжением 500-800 В или генератор переменного напряжения частотой 50-400 Гц и напряжением до 800 В. В качестве генератора переменного напряжения может выступать также промышленный трансформатор. После включения конденсаторной батареи или генератора переменного напряжения на высоковольтном электроде 1 появляется постоянное или переменное напряжение, а в отверстиях 4 в эпоксидной изоляции 3 - тонких каналах из обводненной и минерализованной (проводящей) скважинной жидкости концентрируется электрический ток. Если ток через каждое отверстие превышает 0,3-0,4 А или удельная мощность, выделяемая на каждом отверстии, превышает 200 Вт/мм, то скважинная жидкость в отверстиях 4 начинает разогреваться и вблизи отверстий 4 образуются парогазовые пузырьки. Каждый формирующий парогазовый пузырек излучает сферическую ударную (акустическую) волну. Внутри пузырьков зажигаются электрические разряды, которые излучают, в свою очередь, световые импульсы. Вследствие многоочаговости и синхронности разрядов ударные волны и световые импульсы от разрядов интерферируют и складываются друг с другом в единый фронт с образованием расходящихся цилиндрических световой и ударной волн. Эти две волны (два физических поля) циклически повторяются (следуют) в случае конденсаторной батареи через каждые 0,2 мс (в случае трансформатора через 2,5-20 мс) и, падая на внутреннюю поверхность обсадной колонны и отражаясь от нее, разрушают асфальто-смолистые и парафиновые отложения на внутренней поверхности обсадной колонны и в зоне перфорационных отверстий, а также промывают последние. В результате повышается проницаемость призабойной зоны скважины и увеличивается дебит нефтяной скважины.
Вследствие малого диаметра двухэлектродной системы фиг.1 ее можно также использовать для очистки внутренней поверхности колонны насосно-компрессорных труб от асфальто-смолистых и парафиновых отложений без подъема колонны НКТ на поверхность земли.
Мультиэлектродная система фиг.2 в отличие от двухэлектродной системы фиг.1 в скважине может работать не эпизодически, а постоянно. Например, разместив электроды системы фиг.2 под электроцентробежным насосом и подключив их параллельно к системе питания насоса и подав с поверхности земли напряжение на кабель для электропогружных насосов, можно вести светорадиационную и ударно-волновую обработку добываемой нефти непосредственно на забое скважины, снижая при этом ее вязкость и облегчая работу насоса и добычу в целом нефти.
2
2
4
2
4
3
Донный излучатель фиг.3, имея вертикальную и колоколообразную направленность ударно-акустического излучения, может применяться для детальной сейсморазведки на морском шельфе, а также для уплотнения донных грунтов при строительстве морских причалов. При давлении на фронте ударной волны 17 МПа (1 МПа=1 кгс/см) и площади излучателя 1 м=10 см на морское дно будет действовать импульс силы F=P·S=17·10=170·10 кгс. Это равносильно действию на морское дно 170-тонного вибратора.
Таким образом, автором показано, что использование новых способа и устройств для возбуждения световых и ударных импульсов в проводящей жидкости расширяет область применения многоочагового диафрагменного разряда в добывающую промышленность и разведку полезных ископаемых.