СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СТРУЙНОГО СОТОВОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ И МОДУЛЯЦИИ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ В СТВОЛЕ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ
METHOD AND DEVICE FOR JET HONEYCOMB PARAMETRICAL GUN FOR PRESSURE WAVES GENERATING AND MODULATING IN THE INJECTION WELL HOLE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для очистки стенок скважин и отверстий перфорации от твердых отложений, декольматации призабойной зоны пласта и увеличения подвижности пластовых флюидов.
Известен способ генерирования волн давления в стволе нагнетательной скважины (см.патент №96118034) при ее промывке техническими сжимаемыми жидкостями (газом, воздухом, паром), при котором устанавливают на конце насосно-компрессорной трубы (НКТ) гидродинамический генератор (ГГ), закачивают жидкость по НКТ в скважину, прокачивают жидкость через ГГ, генерируют колебания давления внутри ГГ и формируют волну давления за ГГ в стволе нагнетательной скважины.
Добывающие нефтяные скважины периодически прочищают от твердых отложений на стенках и в отверстиях перфорации обсадной трубы и устраняют засорение призабойной зоны (декольматируют), закачивая различные технические жидкости. При этом замечено, что наличие колебаний давления в закачиваемой жидкости способствует достижению лучшего результата.
Давно известно, что закачка жидкости в продуктивный пласт на поздней стадии разработки увеличивает дебит добывающих скважин. Также известно, что создание колебаний давления в пласте способствует выходу капиллярно защемленной нефти, декольматации призабойной зоны, что также приводит к увеличению дебита добывающих скважин. Закачку жидкости в продуктивный пласт осуществляют через несколько нагнетающих скважин, расположенных вокруг добывающей скважины.
Наиболее эффективны способы создания колебаний давления на забое скважины с использованием для этой цели гидродинамических генераторов, устанавливаемых непосредственно в том месте, где они наиболее востребованы, т.е. на нижнем конце НКТ. Волны давления, генерируемые этими устройствами, достаточно быстро затухают, и поэтому желательно располагать их в непосредственной близости с объектом воздействия, а именно с отверстиями перфорации в обсадных трубах и призабойной зоной пласта.
Недостатком этого способа является невысокая эффективность обработки скважины высокочастотными колебаниями давления.
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
Известен способ генерирования низкочастотных волн давления за счет модуляции двух волн высокой частоты, распространяющихся в одном направлении (см. Волны, Берклеевский курс физики, т.III, Ф. Крауфорд, Наука, М., 1976, с.42). При взаимодействии двух высокочастотных гармонических волн (волн накачки), распространяющихся в одном направлении (коллинеарных) и описываемых уравнениями s=Acos ωt и s=Acos ωt с частотами ω и ω, излучаемых двумя источниками, в окружающем пространстве формируется волна разностной частоты (ω-ω). Этот способ модулирования коллинеарных волн позволяет сформировать в окружающем пространстве волну низкой частоты из двух высокочастотных волн накачки.
1
2
При этом в канале распространяются две высокочастотные гармонические волны накачки близкой частоты: ω и ω, параметры которых в произвольной точке канала изменяются по закону синуса. Если амплитуда этих волн не слишком велика и форма волн не претерпевает изменения при удалении от источников, то согласно принципу суперпозиции эти волны не оказывают друг на друга никакого влияния.
1
2
1
2
В действительности, из-за ряда причин, в том числе из-за нелинейности среды, в которой волны распространяются, а именно - эмульсии, заполняющей скважину, форма волн изменяется по мере их удаления от источников, и волны оказывают влияние друг на друга при распространении в канале. Принцип суперпозиции нарушается и при взаимовлиянии волн друг на друга в канале формируется т.н. “волновой пакет”, включающий семейство волн различной частоты и амплитуды в дополнение к первоначальным частотам ω и ω. Нас интересует, главным образом, появление в спектре частот волны разностной частоты (ω-ω).
Недостатком этого способа генерирования является невысокая амплитуда волны с разностной частотой колебаний давления.
Известен способ генерирования волн давления, наиболее близкий по технической сущности и взятый за прототип, реализованный в устройстве (см. патент РФ №402399), при котором собирают из нескольких генераторов Гартмана (ГГ) струйный сотовый излучатель, в котором каждый ГГ представляет собой самостоятельную колебательную систему, состоящую из сопла и полой камеры-резонатора с отверстием в стенке и возбуждаемую струей жидкости; организуют за соплом в каждом ГГ струю жидкости и направляют ее в отверстие в стенке соответствующей полой камеры-резонатора; генерируют колебания давления и усиливают их амплитуду в полой камере-резонаторе; формируют высокочастотную волну давления за каждым ГГ, распространяющуюся в одном направлении с волнами от других ГГ и взаимодействующую с ними.
f
Для формирования волн давления собирают из нескольких генераторов Гартмана (ГГ) струйный сотовый излучатель, в котором каждый ГГ представляет собой пару сопло - резонатор. Резонатор представляет собой цилиндрическую камеру с отверстием. Сопло и резонатор устанавливаются соосно и с некоторым интервалом между собой. Сопла присоединяют к каналу подачи рабочей жидкости. Формируют на выходе из каждого сопла струю жидкости, которую направляют в отверстие камеры-резонатора. Такой резонатор является объемным резонатором, поскольку резонирующим элементом служит объем жидкости внутри камеры. Автоколебательный механизм генерации колебаний давления на входе в камеру обусловлен попеременным увеличением давления в камере при втекании жидкости и уменьшением давления при опорожнении камеры. Большая часть жидкости затекает в камеру резонатора, а некоторая часть жидкости обтекает резонатор снаружи. Частота генерации ГГ с цилиндрическим резонатором, камера которого имеет размеры полости: диаметр d и глубину h, при скорости звука в жидкости с, определяется выражением =0,25c/(h+0,3d).
Колебания давления высокой амплитуды распространяются из камеры-резонатора в окружающем пространстве в виде волны давления.
Недостатком способа является отсутствие возможности создавать в пространстве колебания давления низкой частоты при помощи нескольких генераторов, настроенных на одну частоту генерации.
Известно устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости (см.патент №2336130), собранное из сопла и камеры-резонатора, установленных соосно (коаксиально) и с некоторым интервалом между собой. Камера-резонатор представляет собой трубу, открытую со стороны сопла и с подвижным днищем, которое можно перемещать вдоль трубы с помощью штока.
Это устройство, фактически, представляет собой генератор Гартмана, хотя в тексте описания заявки на изобретение оно таковым не именуется. Основное отличие представленного устройства от генератора Гартмана - это необычно большая глубина участка трубы от входа до подвижного днища. У классического генератора Гартмана глубина резонатора примерно равна его диаметру (одному калибру), и оба эти размера примерно равны диаметру сопла.
В генераторе Гартмана отсутствуют подвижные детали, а автоколебательный механизм генерации колебаний давления базируется на неустойчивости скачка уплотнения внутри камеры-резонатора. При натекании сверхзвуковой струи в камеру-резонатор поток тормозится с формированием скачка уплотнения, за которым скорость резко уменьшается, а давление возрастает. Вследствие увеличения давления и переполнения камеры-резонатора жидкость стремится вытекать обратно, выталкивая скачок уплотнения из камеры-резонатора, в то время как струя жидкости втекает в камеру-резонатор и проталкивает скачок внутрь камеры. Это порождает неустойчивое положение скачка уплотнения, а его перемещение генерирует колебания давления в области входа в камеру-резонатор, распространяющиеся в окружающем пространстве в виде волны давления.
Сопло, обычно круглого поперечного сечения, служит для разгона жидкости до значительной скорости, и генератор Гартмана работает при сверхзвуковой скорости потока жидкости. Камера-резонатор также имеет круглое поперечное сечение и представляет собой кусок трубы с плоским днищем, установленный открытой стороной трубы навстречу потоку, вытекающему из сопла.
Недостаток устройства заключается в неспособности генерировать колебания давления низкой частоты.
Известно устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости (см. патент РФ №402399), представляющее собой сотовую конструкцию, установленную поперек скважины, собранную из нескольких генераторов Гартмана (ГГ), каждый из которых состоит из сопла и полого стакана со стенкой и днищем, установленного соосно и с интервалом за соплом, причем глубина полого стакана и его внутренний диаметр равны диаметру сопла, а сам стакан установлен отверстием к соплу.
Собирают из нескольких генераторов Гартмана сотовую конструкцию, в которой каждый ГГ имеет корпус шестиугольной формы, в котором установлена генерирующая пара сопло - резонатор. Шестиугольные корпусы собраны в соты вплотную друг к другу и имеют окна для распространения колебаний давления, генерируемых внутри них, в окружающее пространство. Все ГГ выполнены одного типоразмера и генерируют колебания давления одинаковой частоты.
Целью настоящего изобретения является формирование низкочастотной волны давления с высокой амплитудой в призабойном пространстве пласта.
Технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования и модуляции волн давления в стволе нагнетательной скважины, при котором: собирают из нескольких генераторов Гартмана (ГГ) струйный сотовый излучатель, в котором каждый ГГ представляет собой самостоятельную колебательную систему, состоящую из сопла и полой камеры-резонатора с отверстием в стенке и возбуждаемую струей жидкости; организуют за соплом в каждом ГГ струю жидкости и направляют ее в отверстие в стенке соответствующей полой камеры-резонатора; генерируют колебания давления и усиливают их амплитуду в полой камере-резонаторе; формируют высокочастотную волну давления за каждым ГГ, распространяющуюся в одном направлении с волнами от других ГГ и взаимодействующую с ними; струйный сотовый излучатель собирают из ГГ, представляющих собой разночастотные самостоятельные колебательные системы, одну часть из которых настраивают на генерацию, усиление и формирование высокочастотной волны одной частоты, а другую часть самостоятельных колебательных систем - на другую частоту, при этом струйный сотовый излучатель устанавливают в скважине, формируют за ним параллельные высокочастотные волны двух различных частот, взаимодействующие между собой и образующие в результате модуляции в ближнем поле низкочастотную волну разностной частоты, которую усиливают в низкочастотном объемном резонаторе и направляют в ствол нагнетательной скважины.
В устройстве для генерирования волн давления в стволе нагнетательной скважины, представляющем собой сотовую конструкцию, установленную поперек скважины, собранную из нескольких генераторов Гартмана (ГГ), каждый из которых состоит из сопла и полого стакана со стенкой и днищем, установленного соосно и с интервалом за соплом, причем глубина полого стакана и его внутренний диаметр равны диаметру сопла, а сам стакан установлен отверстием к соплу, сотовая конструкция собрана из ГГ двух типоразмеров с одинаковыми соплами, но различающихся интервалом между соплом и стаканом, диаметром отверстия и глубиной стакана, и установленных в соты в шахматном порядке, кроме того, в скважине, за сотовой конструкцией, размещена камера объемного низкочастотного резонатора.
Предложенный способ позволяет повысить подвижность флюидов в призабойном пространстве скважины и усилить механическое воздействие на отложения при закачке в нее технической жидкости через струйный параметрический излучатель за счет формирования волны давления с низкой частотой и высокой амплитудой.
На фиг.1 представлена схема струйного сотового параметрического излучателя. Объемный резонатор на схеме не показан.
На фиг.2 представлена схема одного модуля генератора Гартмана в корпусе.
Сущность предложенного изобретения состоит в следующем.
Устройство для генерирования и модуляции волн давления в стволе нагнетательной скважины представляет собой сотовую конструкцию, собранную в нагнетающей скважине поперек обсадной трубы. Конструкция собрана из отдельных генераторов Гартмана, состоящих каждый из круглого сопла и цилиндрической камеры-резонатора. Камера-резонатор представляет собой стакан со стенками и с днищем, установленный соосно соплу и с некоторым интервалом за соплом по потоку. Стакан обращен отверстием к соплу. В днище может быть предусмотрено сквозное отверстие небольшого диаметра.
Каждое сопло установлено в передней жесткой стенке шестигранной формы. При сборке генераторов шестигранные фрагменты образуют единую стенку, перекрывающую канал скважины. Стаканы камер-резонаторов установлены в задних стенках корпусов генераторов на резьбе для настройки осевого интервала между соплом и стаканом. Днища стаканов также имеют возможность перемещаться вдоль оси стакана для настройки необходимой глубины стакана. В корпусах генераторов между стенками выполнены продольные окна, а в задних стенках корпусов генераторов выполнены радиальные окна.
Конструкция представляет собой акустическую колебательную систему, состоящую из сопла - струи - резонатора и возбуждаемую при натекании сверхзвуковой недорасширенной струи газа в полость резонатора.
Генератор Гартмана позволяет возбуждать колебания давления значительной амплитуды при подаче недорасширенной сверхзвуковой струй газа в стакан камеры-резонатора. При этом в интервале между соплом и стаканом образуется система волн сжатия и разрежения, образующих область неустойчивости струи (см. Источники мощного ультразвука. Под ред. Л.Д. Розенберга, М., Наука, 1967). Если установить стакан камеры-резонатора таким образом, чтобы входное отверстие стакана располагалось в плоскости, перпендикулярной оси струи, вытекающей из круглого сопла, и при этом находилось в области неустойчивости струи, то такая конструкция будет генерировать в окружающем пространстве мощное поле упругих колебаний.
В нашей конструкции собраны в соты генераторы Гартмана двух типоразмеров. У одних генераторов камера-резонатор немного крупнее: диаметр и глубина стакана большего размера. Как и интервал между соплом и стаканом. У других генераторов камера-резонатор чуть мельче: диаметр и глубина стакана меньшего размера. И интервал между соплом и стаканом тоже меньше. Сопла у всех генераторов одинаковые. За счет этого генераторы, имеющие большие размеры, возбуждаются и резонируют на меньшей частоте. И наоборот - генераторы, имеющие меньшие размеры, возбуждаются и резонируют на большей частоте. Разница в размерах не должна быть значительной. Генератор Гартмана очень чувствителен к изменению диаметра стакана или глубины камеры. Речь идет о долях миллиметра.
При втекании сверхзвуковой недорасширенной струи газа в стакан перед стаканом образуется вибрирующий отсоединенный скачок давления. Вибрирование скачка вызывается поочередной сменой фаз загрузки и опорожнения камеры стакана. Вибрирование скачка вызывает появление интенсивных колебаний давления в окружающем пространстве, которые еще дополнительно усиливаются в объеме камеры-резонатора.
1
2
1
2
1
2
В скважине за сотовой конструкцией формируется система упругих волн двух близких частот. При распространении в канале скважины эти волны изменяют свойства среды, быстро утрачивают свою синусоидальную форму вследствие нелинейности среды и начинают оказывать влияние друг на друга. При взаимодействии двух волн в ближнем поле происходит преобразование частоты колебаний, т.н. модуляция волн, в результате которой формируется волновой пакет, содержащий волны комбинационных частот. В ближнем поле, наряду с волнами исходных частот ω и ω, появляются волны суммарной частоты (ω+ω), разностной частоты (ω-ω) и дробных частот. Нас интересует появление волны разностной частоты. К сожалению, амплитуда волны разностной частоты весьма невелика и без дополнительного усиления она быстро рассеется в пространстве скважины. Поэтому сразу на выходе из канала предусмотрена объемная резонансная камера для усиления волны разностной частоты. Затем усиленная волна распространяется в призабойную область продуктивного пласта.
Устройство состоит из нескольких одинаковых конструкций - модулей - генераторов Гартмана, соединенных в соты. Каждый модуль генератора Гартмана включает: сопло круглого сечения 1 (см. фиг.1), установленное жестко в переднюю стенку 2 корпуса. Передняя стенка имеет шестигранную форму при виде спереди. Резонатор 3 представляет собой полое тело вращения с днищем - стакан, установленный по резьбе в заднюю крышку 4 корпуса, открытой стороной к соплу. В корпусе, между передней и задней крышками, прорезаны продольные щели, а в задней крышке прорезаны радиальные щели. Днище резонатора установлено с возможностью перемещения вдоль оси резонатора. Сопла всех генераторов выполнены одинакового размера.
Сопло и резонатор установлены соосно в корпус с некоторым интервалом между выходным срезом сопла и входным срезом резонатора. Причем сотовая конструкция набрана из генераторов Гартмана двух типоразмеров. Часть генераторов Гартмана имеет меньший интервал h1 (см. фиг.1) между выходным срезом сопла и входным срезом резонатора и равные ему по величине глубину камеры резонатора ℓр (см. фиг.2) и ее диаметр dc. Другая часть генераторов Гартмана имеет больший интервал h2 между выходным срезом сопла и входным срезом резонатора и равные ему по величине глубину камеры резонатора ℓр и ее диаметр dc. Генераторы собраны в соты в шахматном порядке так, чтобы соседние генераторы различались размером интервала между соплом и резонатором и, соответственно, глубиной и диаметром самого резонатора.
Сотовая конструкция излучателя установлена внутри скважины таким образом, чтобы подача подаваемого в пласт газа могла осуществляться только через сопла генераторов. Пространство между соплами перекрыто шестигранными передними стенками генераторов.
За сотовым устройством расположена камера объемного резонатора (не показан).
Генерация колебаний давления в генераторе Гартмана очень чувствительна к взаимному расположению выходного среза сопла и входного среза стакана резонатора. Поэтому резонатор устанавливается в задней крышке по резьбе для того, чтобы иметь возможность регулировать интервал между соплом и резонатором. Также и глубина камеры резонатора настраивается перемещением днища по оси стакана.
Кроме того, при модуляции волн накачки и формировании волны разностной частоты в ближнем поле, желательно иметь возможность настраивать длину этого ближнего поля путем перемещения объемного резонатора в направлении оси устройства. В том случае, если объемный резонатор представляет собой нижнюю часть скважины, отделенную от остальной части скважины пакером, то желательно выполнять пакер с возможностью его перемещения вдоль колонны насосно-компрессорных труб.
Работает устройство следующим образом. Рабочая жидкость разгоняется в сопле и затекает с высокой скоростью в камеру резонатора. При этом перед входным срезом камеры образуется отсоединенный скачок давления с разрывом сплошности среды. В камере повышается давление и рабочая жидкость начинает кратковременно вытекать из камеры обратно. При этом скачок отодвигается от входного среза камеры. Такой неустойчивый режим приводит к вибрации отсоединенного скачка давления и колебаниям давления в окружающем пространстве. Колебания давления усиливаются в камере-резонаторе, частота собственных колебаний которой настроена в резонанс с частотой вибрации скачка давления перед срезом камеры-резонатора, и распространяются в окружающем пространстве в виде волны упругих колебаний.
За сотовой конструкцией распространяются волны двух частот, меньшей частоты, за генераторами большего размера, и большей частоты, за генераторами меньшего размера. В канале за сотовым излучателем волны изменяют состояние среды и таким образом оказывают влияние друг на друга. При взаимодействии волн низкой частоты с волнами высокой частоты в канале формируется волновой пакет, содержащий целое семейство волн. В нем присутствуют волны первоначальных частот, а также целое семейство волн различных комбинационных частот: дробных частот, суммарной и разностной частот. Волны комбинационных частот имеют весьма незначительную амплитуду колебаний давления, поэтому волну разностной частоты усиливают в камере объемного резонатора и направляют через перфорационные отверстия обсадной трубы в призабойную зону пласта.