Излучатель для акустического воздействия на призабойную зону нефтяных скважин
EMITTER FOR ACOUSTIC ACTION ON BOTTOMHOLE ZONE OF OIL WELLS

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для обработки продуктивных зон нефтяных, газовых и водяных скважин для повышения их дебита.
Для решения данной проблемы, в настоящее время, наряду с традиционными методами увеличения нефтеотдачи, в качестве рабочего агента воздействия на пласт используют не вещество (химические реагенты, пар, газ), а физические поля различной природы, одним из которых является акустическое воздействие.
Известно [Михайлов Н.Н. Информационно-технологическая геодинамика околоскважинных зон. М.: Недра, 1996, 330 с.], что снижение проницаемости околоскважинного пространства происходит в пределах прискважинного слоя, толщиной примерно 1 метр. Именно этот слой определяет производительность скважины, является её гидродинамическим стоком. Он и должен быть объектом воздействия.
Таким образом для воздействия на объект, у которого характерный размер составляет порядка 1 метра, необходимо оборудование с частотным диапазоном 15-25 кГц, а это и есть преобладающая частота применяемых в настоящее время излучателей магнитострикционного и пъезокерамического типа.
Известен скважинный акустический излучатель [Патент RU № 2196217, МПК E21B 28/00, E21B 43/25, опубл. 10.01.2003], содержащий опорный корпус, состоящий из открытой нижней части, контактирующей со скважинной жидкостью посредством выполненных в открытой части опорного корпуса окон, и герметичной части, заполненной электроизоляционной жидкостью и имеющей воздушную полость, находящуюся под атмосферным давлением. В опорном корпусе расположен стержневой магнитострикционный преобразователь, верхняя излучающая поверхность которого взаимодействует с воздушной полостью. В опорном корпусе дополнительно установлен акустический волновод, выполненный в виде металлического цилиндра, жестко и соосно соединенного своей верхней торцевой поверхностью с нижней излучающей поверхностью преобразователя посредством пайки. Акустический волновод в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с опорным корпусом посредством кругового сварного шва, разделяя его на открытую и герметичную части. Нижняя торцевая поверхность волновода расположена в открытой части опорного корпуса.
Недостатком этого устройства является то, что жесткое и герметичное соединение акустического волновода с опорным корпусом посредством сварного шва делает конструкцию практически неремонтопригодной, при выходе из строя обмотки магнитострикционного преобразователя.
Известен также скважинный акустический излучатель  [Патент RU            № 2634769, МПК E21B 43/25, E21B 28/00, опубл. 03.11.2017], состоящий из опорного корпуса с полостью и окнами, в котором расположены стержневой магнитострикционный преобразователь с электрической обмоткой на стержнях и акустический волновод, верхняя торцевая поверхность которого соосно соединена с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя посредством пайки, средняя часть акустического волновода, которая совпадает с нулевой точкой своего колебания, по периметру герметично соединена с опорным корпусом, верхний торец магнитострикционного преобразователя расположен в воздушной полости, отличающийся тем, что акустический волновод снабжен излучающим элементом, акустический волновод выполнен в форме цилиндра, переходящего в убывающий конус, при этом цилиндрическая часть акустического волновода расположена в опорном корпусе, а коническая - вне корпуса и верхний  торец излучающего элемента соосно соединен с нижним торцом акустического волновода резьбовым соединением, магнитострикционный преобразователь длиной 200-280 мм выполнен из пермендюра, окна расположены по периметру опорного корпуса двумя рядами, первый из которых находится на уровне верхних витков электрической обмотки магнитострикционного преобразователя, а второй- на уровне нижних ее витков, соединение опорного корпуса с акустическим волноводом выполнено в виде резьбового соединения, излучающий элемент выполнен в форме цилиндра или призмы с квадратным сечением.
Недостатком данного излучателя является то, что магнитостриктор и обмотка всегда подвергаются агрессивному воздействию скважинной жидкости и других фракций, что значительно сокращает время жизни самого прибора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятому за прототип, является устройство для акустического воздействия на призабойную зону продуктивных пластов [Патент RU № 2026970, МПК E21B 43/25, опубл. 20.01.1995], содержащий наземный блок, состоящий из блока управления и индикаторного блока, соединенного посредством кабеля со скважинным прибором, который выполнен трехсекционным, состоящим из генератора, акустического излучателя и датчика, при этом в нижней секции размещен акустический излучатель, в средней секции - генератор, в верхней секции - локатор муфт и датчик, при этом нижняя секция скважинного прибора заполнена трансформаторным маслом и вакуумирована, средняя секция - заполнена трансформаторным маслом не более чем на 3/4 ее объема и находится под атмосферным давлением, а верхняя секция сообщена с окружающей средой в месте размещения датчика.
Недостатком и слабым местом указанного устройства является наличие в конструкции излучателя компенсатора давления, выполненного в виде сильфона, что снижает надежность работы устройства из-за сильных воздействий на сильфон акустического поля, которое может повредить креплению сильфона и вывести его из строя, особенно учитывая скважинные условия его работы, и второй недостаток – температурные ограничения работы электронных блоков генератора и преобразователя сигнала.
Задачей предлагаемого изобретения является исключение контакта токонесущих частей магнитострикционного преобразователя с агрессивной скважинной средой, и в целом обеспечение эффективной работы устройства в широком диапазоне температур и давлений.
Техническим результатом является повышение надежности работы излучателя.
Достигается технический результат за счет того, что акустический излучатель включает корпус, с расположенными в нем камерой, сообщающейся со скважинной средой и герметичной вакуумированной камерой, заполненной электроизоляционной жидкостью и содержащей магнитострикционные преобразователи с обмотками, соединенными последовательно, электрическое соединение которых с геофизической головкой осуществляется посредством геофизических электровводов, при этом магнитострикционные преобразователи скреплены удерживающими скобами, обеспечивающие им подвижность и  закреплены на корпусе через общую планку, причем герметичная вакуумированная камера оснащена компенсатором давления в виде поршневого механизма и специальной полостью, выполненной с возможностью размещения в ней геофизических датчиков.
Особенностью устройства является то, что упругая энергия колебаний магнитострикционных преобразователей через электроизоляционную жидкость передается корпусу, а от него в пространство скважины, в котором происходит воздействие волн давления и формирование суммарного акустического поля в скважине и прискважинной зоне.
Другой особенностью устройства является то, что за счет изготовления корпусов с разной длинной герметичной вакуумированной камеры возможно изготовление акустических излучателей разной мощности.
На Фиг. 1 представлен излучатель в разрезе.
На Фиг. 2 представлена схема расположения двух магнитострикционных преобразователей и показаны колебания среды между их торцами.
Акустический излучатель включает корпус 1, с расположенными в нем камерой 2 сообщающейся со скважинной средой и герметичной вакуумированной камерой 3, заполненной электроизоляционной жидкостью и содержащей магнитострикционные преобразователи 9 с обмотками, соединенными последовательно. Электрическое соединение преобразователей 9 с геофизической головкой 11 осуществляется посредством геофизических электровводов 6.
Корпус камеры 2, сообщающейся со скважинной средой через окна 4, представляет собой цилиндр 8, оканчивающийся конусной частью. Компенсация давления в герметичной вакуумированной камере 3 происходит через поршневой механизм 5, нижняя часть которого выходит в камеру 2, которая сообщается со скважинной средой и имеет давление скважины, а другая часть поршневого механизма 5 сообщатся с герметичной вакуумированной камерой 3. Упругие перемещения поршневого механизма 5 позволяют сохранять работоспособность излучателя при изменении давления и температуры околоскважинного пространства, что значительно увеличивает надежность прибора.
Магнитострикционные преобразователи 9 скреплены удерживающими скобами 10, обеспечивающие им подвижность и  закрепленные на корпусе 1 через общую планку (на фиг. не обозначена), причем герметичная вакуумированная камера 3 оснащена компенсатором давления в виде поршневого механизма 5 и выполнена с возможностью размещения при  необходимости в специальных полостях 7 геофизических датчиков, в том числе, локатора муфт (на Фиг. не представлены). Также в ней расположены геофизические электровводы 6, которые обеспечивают питание магнитострикционных преобразователей 9. Для соединения акустического излучателя с питающим кабелем в корпусе 1 установлена геофизическая головка 11.
Упругая энергия колебаний магнитострикционных преобразователей 9 через электроизоляционную жидкость, находящуюся в герметичной вакуумированной камере 3 передается корпусу 1, а от него в пространство скважины, в котором происходит взаимодействие волн давления и формирование суммарного акустического поля в скважине и прискважинной зоне.
За счет изготовления корпусов 1 с разной длинной герметичной вакуумированной камеры 3 возможно изготовление акустических излучателей разной мощности.
Диаметр излучателя с геофизической головкой головкой 11 для присоединения к стандартному геофизическому кабелю должен быть таковым, чтобы его можно было использовать в насосно-компрессорной трубе (НКТ) и общей длиной порядка полутора метров или более.
Предложенная конструкция акустического излучателя не допускает непосредственный контакт магнитострикционных преобразователей 9 с агрессивной скважинной средой, что в свою очередь увеличивает ресурс работы изделия в разы. Конструкция корпуса 1 акустического излучателя позволяет использование магнитострикционных преобразователей 9 различных размеров. Достигается это за счет возможности изменения размеров полостей 7 герметичной вакуумированной камеры 3, в которых, при необходимости, могут быть размещены геофизические датчики, а при их отсутствии имеется возможность исключить полностью наличие данных полостей 7 и удлинить полости, в которой расположены магнитострикционные преобразователи 9 и, соответственно, изменять их размеры.
Таким образом, изобретение повышает надежность работы скважинного излучателя за счет предотвращения коррозионного разрушения внутренних частей излучателя, увеличивает эффективность излучения за счет стабильной работы излучателей и отсутствия резких перепадов режимов работы во время длительной эксплуатации.
Устройство работает следующим образом
.
Ультразвуковой излучатель опускают до перфорационной зоны продуктивного пласта на грузовом геофизическом кабеле, через который переменное напряжение рабочей частоты, соответствующей резонансной частоте магнитострикционного преобразователя 9 подаётся по кабелю с генератора, расположенного на поверхности. Одновременно от этого же генератора на эту же электрическую обмотку подаётся постоянный ток подмагничивания порядка 5-8 А. Магнитострикционные преобразователи 9, соединенные последовательно, передают упругую энергию колебаний в объём герметичной вакуумированной камеры 3, заполненной электроизоляционной жидкостью.
Давление внутри герметичной вакуумированной камеры 3 выравнивается со скважинным давлением посредством работы поршневого механизма 5, поджатого пружиной, основными излучающими элементами являются плоские стержневые магнитострикционные преобразователи 9, выполненные из пермендюра.
Согласно нижеприведенной формуле [2], магнитострикционные преобразователи 9 совершают продольные пульсирующие (вдоль оси скважины) колебания, при этом излучающие торцы соседних магнитострикционных преобразователей 9 колеблются навстречу друг другу (такое расположение можно назвать оппозитным), так что эффект от сжатия-растяжения акустической среды между торцами трансформируется преимущественно в радиальные колебания среды (Фиг. 2).
При этом энергия упругих волн полностью передаётся корпусу 1 излучателя, толщина стенки которого в зоне расположения магнитострикционных преобразователей 9 меньше, чем в остальной части. Выполнение этой секции с размещенными в ней магнитострикционными преобразователями 9, вакуумированной и полностью заполненной электроизоляционной жидкостью, обеспечивает надежную работу излучателя независимо от характера жидкой фазы, заполняющей скважину, так как при отсутствии конструктивной защиты излучателя такой параметр флюида, как его агрессивность, может существенно влиять на параметры работы излучателя.
Дегазация электроизоляционной жидкости за счет вакуумирования внутреннего объема повышает надежность и обеспечивает эффективную работу излучателя при заполнении скважины любым флюидом. Энергия упругих колебаний, излучающих корпусом 1 передается в пространство скважины, в котором происходит взаимодействие волн давления и формирование суммарного акустического поля в скважине и прискважинной зоне.
Магнитострикционные преобразователи 9 работают в частотном диапазоне 5-35 кГц [2]. Собственные (резонансные) частоты магнистострикционного преобразователя 9, т.е. в отсутствии внешней нагрузки на его излучающую поверхность, определяются из уравнения:
Fn = ( 0 . 5 + n ) c / L , n = 0 , 1 , 2 , . . . , (1)   т.е. Fn = 0.5*5000/100 = 25000 Гц
где с — скорость распространения продольных волн в материале в отсутствии магнитного поля, для используемого обычно на практике магнитострикционного материала пермендюра с = 5000 м/с;  а L — длина преобразователя.
Из формулы (1) следует, что, каждую частоту в диапазоне 5-35 кГц можно использовать как основную, собственную, т.е. f = fо, причем значения L в зависимости от fо не являются критичными с точки зрения спуско - подъемных операций через НКТ.
Так, при fо = 20 кГц для магнитострикционного преобразователя 9 L = 12, 5 см. [2].
Электрическая мощность генератора, подводимая к преобразователю:
m
и
P = p х А, где (2)
m
m
4
p – допустимая удельная электрическая мощность для материала пермендюра К49Ф2  p=100 х 10 Вт/м2
и
А – площадь поверхности излучения сердечника,
и
о
c
А = [1+(b(n-1))/a*n]*A,           где
o
2
n- число стержней сердечника, n=2; b=10/5 мм – ширина окна; a=5 мм, ширина стержня; Ас – суммарная площадь сечения стержней, м.
и
-6
2
Подставляя известные значения размеров сердечника, получим А = 420*10м. Подставляя полученные значения, вычислим мощность:
4
-2
P=100 х 10 * 42000*10 = 420 Вт. Это значение мощности подводимой к одному преобразователю, соответственно для трёх преобразователей: P = 1260 Вт.