УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ Российский патент 1999 года по МПК E21B28/00 E21B43/25 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для создания звуковых полей высокой интенсивности в пласте для повышения его продуктивности.

Известно устройство для создания звуковых полей высокой интенсивности (а.с. 1222324, кл. B 06 B 1/20). Устройство состоит из корпуса, центрального цилиндрического стержня, расположенного в сопле соосно последнему, и полого резонатора, закрепленного на стрежне.

Недостатком этого устройства является необходимость подачи сжатого газа в сопло с давлением выше критического для обеспечения высокой эффективности преобразования кинетической энергии струи в звуковые колебания. При эксплуатации продуктивных скважин с большой величиной противодавления среды это приводит к необходимости иметь на входе в излучатель величину давления, по меньшей мере, втрое - вчетверо превышающую рабочее. Это, в свою очередь приводит к использованию промыслового энерготехнологического оборудования неоправданно высокой мощности и влечет за собой значительное удорожание процесса добычи.

Известно также устройство - газоструйный излучатель звука для возбуждения интенсивных звуковых колебаний в высокоскоростном потоке газа (а.с. 1562034, кл. B 06 B 1/20). Излучатель содержит цилиндрический корпус, выполненный в виде стакана с радиальными отверстиями в его стенке для подвода рабочей среды, входную диафрагму в виде диффузора с отверстием и выходную диафрагму, закрепленную в корпусе гайкой. Газ из коллектора технологического устройства поступает через радиальные отверстия в полость корпуса излучателя и далее в диффузор. В нем происходит формирование бочек пристенной сверхзвуковой струи, истекающей через входную диафрагму в резонирующую область корпуса и далее через отверстие в выходной диафрагме в виде высокоскоростной пульсирующей, слаборасходящейся газовой струи. Частота пульсаций определяется соотношением диаметров отверстий диафрагм, длиной и диаметром резонирующей полости.

Для эффективной работы этого устройства также предусматривается подача сжатого газа с давлением выше критического, что требует использования промыслового энерготехнологического оборудования неоправданно высокой мощности и приводит к удорожанию процесса добычи.

Известно также аналогичное устройство (патент США N 3376847, НКИ 116 - 137) - акустический генератор, представляющее собой свисток, в конструкции которого имеются резонансная полость, размещенная на пути струи, и стержень. Последний выступает из указанной полости в струю с целью регулирования частоты генерации колебаний. Этому устройству присущи те же недостатки, а именно: необходимость подачи сжатого газа в сопло с давлением выше критического.

Таким образом, рассмотренные выше устройства генерации акустических колебаний характеризуются низкой экономичностью.

Известно техническое решение (Brocher Eric and Duport Elisabeth. Resonance tubes in a subsonic flowfield. AJAA Journal. 1988, 26 N 5, 548 - 552), позволяющее возбуждать интенсивные колебания давления. В резонаторе, помещенном в дозвуковой поток рабочего агента, генерация колебаний достигается с помощью рассекателя, установленного в потоке перед входным сечением резонатора. Возбуждение колебаний обусловлено эффектом взаимодействия волн, распространяющихся в сдвиговом слое, образующемся в следе за рассекателем, и акустических волн, образующихся в резонаторе.

Это техническое решение является наиболее близким по сущности заявляемого решения и поэтому выбрано в качестве прототипа. Устройство состоит из резонатора, представляющего собой трубу, открытую с одного конца, и установленного перед ним соосно рассекателя. Рассекатель может быть различной формы (например, прямоугольной, клиновидной и т.д.).

Устройство устанавливается соосно направлению течения дозвукового потока рабочего агента. При натекании потока на рассекатель в следе за ним развивается сдвиговый слой, в котором присутствуют вихреобразования, что приводит к возникновению волн, взаимодействующих с акустическими волнами, генерируемыми резонатором, в результате чего образуются акустические колебания давления высокой амплитуды.

Подобные акустические устройства конструктивно просты, поскольку в них отсутствуют подвижные элементы конструкции. Они хорошо работают в условиях высоких температур, при воздействии вибраций и ударных нагрузок.

Эти устройства не требуют дополнительных источников энергии, поскольку для возбуждения акустических колебаний используется кинетическая и потенциальная энергия дозвукового потока. С помощью устройства могут быть возбуждены колебания как низкой (десятки герц), так и высокой (килогерцы) частоты за счет изменения длины резонатора.

Известно, что зона влияния акустического воздействия на пласт может достигать сотен метров. Подобный эффект наблюдается при воздействии инфразвуковыми (до 20 Гц) и низкочастотными (до сотен Гц) колебаниями.

Большой радиус воздействия достигается вследствие малого поглощения волновой энергии и может быть использован для улучшения фильтрационных свойств коллектора во всем межскважинном пространстве.

Акустическое воздействие на структурном уровне оказывает влияние на зону радиусом от 1 метра до нескольких десятков метров, что позволяет эффективно его использовать для обработки призабойных зон. Воздействие на структурном уровне осуществляется на частотах колебаний, равных 10³-10⁴Гц.

Таким образом, при низких частотах обеспечивается высокая эффективность волнового воздействия в межскважинном пространстве.

Для генерации акустических колебаний низких частот, необходимы резонаторы большой длины. Так, например, для генерации акустических колебаний в воздушном потоке с частотой 25 Гц необходим резонатор длиной полости до 3,4 м.

Однако, в процессе эксплуатации известного устройства, в полости излучателя будет скапливаться конденсат, содержащийся в рабочем агенте. Это обусловлено тем, что попадая в полузамкнутые полости с отношением длины к диаметру более 10 (а резонаторы для генерации низкочастотных колебаний характеризуются отношением, превышающим 100) конденсированная фаза. вследствие большого превышения плотности ее над плотностью газовой фазы, скапливается на дне полости, постепенно уменьшая эффективную длину канала резонатора.

Процесс задачки в пласт рабочего агента достаточно длителен (от нескольких часов до нескольких месяцев). В этих условиях характеристики акустического излучателя могут существенно измениться, что приведет к изменению частоты генерируемых колебаний и, как следствие, к снижению эффективности волнового воздействия на пласт. Так, при уменьшении длины полости резонатора на 25% (с 3.4 м до 2.55 м) частота колебаний в потоке воздуха увеличится также на ≈25% (с 25 Гц до 37.5 Гц). При этом степень заполнения свободной полости резонатора увеличивается по мере, увеличения его длины, что затрудняет генерацию инфразвуковых и низкочастотных колебаний.

Исследованиями резонаторов Гартмана-Шпренгера, выполненных при достаточно больших значениях их относительной длины (10 и более), установлено, что в процессе втекания даже сверхзвуковой поток проникает внутрь полости только на 3/4 (и несколько больше) ее глубины (В.Г. Дулов "Нелинейная теория малых возмущений для термоакустических явлений в полузамкнутых объемах". Препринт N 11-89. СО ИТПМ АН СССР. Новосибирск. 1989 г.). Вследствие этого даже газообразная среда в значительной части объема в придонной зоне резонатора не участвует в массообмене и не обновляется. Тем более не удаляется газовой дозвуковой струей придонной зоны резонатора конденсированная часть потока.

1) Таким образом, одним из существенных недостатков рассмотренного устройства является неуправляемое изменение частоты генерируемых колебаний. Это приведет к снижению эффективности волнового воздействия на пласт - снижению интенсивности добычи и уменьшению нефтеотдачи пласта.

2) В процессе закачки в пласт агента воздействия с течением времени изменяется приемистость скважины. Последнее, вследствие изменения скорости звука в потоке при изменении давления также влияет на частоту колебаний и может привести к прекращению генерации колебаний. Следовательно, другой недостатков известного устройства - ограниченные условия его эксплуатации - только в скважинах с достаточно стабильным значением внутрипластового давления.

3) Далее, внутренний диаметр эксплуатируемых на промыслах скважин существенно неоднозначен (от 120 до 220 мм). В то же время для обеспечения стабильных параметров генератора колебаний необходима вполне определенная скорость потока. Это влечет за собой изменение расхода агента с зависимости от диаметра эксплуатируемой скважины, что вызывает усложнение технологического процесса добычи, необходимость оснащения промысла наземной системой обеспечения подачи агента, ориентированной на предельную мощность, определяемую наличием скважин большого диаметра. Так, при установке излучателя в скважину диаметром 220 мм для обеспечения минимальной критической скорости в потоке агента потребуется массовый расход его, более чем втрое превышающий расход в случае установки устройства в скважину диаметром 130 мм. Увеличение массового расхода приводит к увеличению энергоемкости используемого оборудования и, одновременно, к более интенсивному росту противодавления в пласте, и, в итоге, к изменению частоты колебаний, а то и к прекращению из генерации.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании устройства для обработки продуктивных пластов, обеспечивающего повышения эффективности и экономичности воздействия на продуктивный пласт за счет повышения стабильности параметров излучателя при наличии конденсата в потоке рабочего агента, так и при изменении диаметра скважины, а также за счет устранения опасности срыва процесса генерации колебаний.

Сущность изобретения заключается в том, что известное устройство, предназначенное для обработки продуктивных пластов, содержащее акустический резонатор с ориентированной в сторону набегающего потока входной частью и рассекатель, установленный перед резонатором, для решения поставленной задачи - содержит проточную полость, установленную в потоке рабочего агента и ограничивающую его поперечное сечение, при этом выходная часть проточной полости выполнена в виде по меньшей мере одной трубки Вентури, а резонатор и рассекатель установлены внутри проточной полости, причем в донной части резонатора выполнено сточное отверстие.

Кроме того, возможен конкретный вариант выполнения устройства, в котором проточная полость выполнена в виде отрезка трубы.

Для обеспечения стабильности генерируемой частоты и исключения возможности срыва генерации акустического излучателя предусматривается конструктивное сочленение трубки Вентури и резонатора (со сточным отверстием, обеспечивающим эффективный отвод конденсата из резонатора) посредством проточной полости, которая вместе с трубкой Вентури служит одновременно для снижения энергозатрат при эксплуатации излучателя в скважинах с различным внутренним диаметром обсадной колонны.

Таким образом, только полное взаимосочетание предлагаемых конструктивных элементов устройства обеспечивает решение поставленной задачи.

Устройство изображено на чертеже. Устройство для обработки продуктивных пластов содержит акустический резонатор 1 со сточным отверстием 2 и установленный с зазором перед резонатором 1 рассекатель 3. Резонатор 1 и рассекатель 3 установлены в проточной полости 4 соосно с ней. Проточная полость 4 может быть выполнена из отрезка металлической трубы. К проточной полости 4 присоединены трубка Вентури 5 (или совокупность трубки Вентури), к выходу которой стыкуется блок ввода 6 рабочего агента в пласт через отверстия 7.

Устройство для обработки продуктивных пластов устанавливают на забое скважины вертикально, стыкуя предварительно, например, с насосно-компрессорной трубой, по которой поступает рабочий агент, сжимаемая жидкость (газ), например, воздух, азот, CO₂, перегретый пар и др.

Работает устройство следующим образом: рабочий агент, например воздух под давлением, подается в проточную полость 4, в которой формируется дозвуковой поток. При натекании потока на рассекатель 3 вслед за ним происходит образование сдвигового слоя, в котором распространяются вихревые структуры с определенной периодичностью, что приводит к возникновению волн, взаимодействующих с потоком в резонаторе 1. В результате индуцируются резонансные колебания давления в полости резонатора большой амплитуды.

Акустические колебания, генерируемые резонатором 1, распространяются через поток рабочего агента в проточной полости 4, корпус проточной полости 4 и далее в продуктивный пласт.

Поток же рабочего агента, обтекая резонатор 1, поступает в трубу Вентури 5 и далее через отверстия 7 блока ввода 6 - в продуктивный пласт.

Конденсат, поступая с потоком в полость резонатора 1, отводится через отверстие 2 в рабочий агент за резонатором 1 (перед трубкой Вентури 5).

Наличие проточной полости 4 позволяет формировать необходимые параметры потока рабочего агента (т.е. задавать определенные скорости) при натекании на рассекатель 3, ориентируясь на серийно выпускаемое промысловое оборудование (например, компрессоры). Этим достигаются необходимые условия работы излучателя независимо от внутреннего диаметра обсадных колонн скважин. Разница диаметров обсадных колонн скважин в настоящее время - до 1,5.

Как известно, в процессе нагнетания в пласт рабочего агента может изменяться пластовое противодавление. В результате при дозвуковом потоке рабочего агента в устройстве будут меняться параметры потока (скорость), при приведет в ряде случаев к срыву или изменению частоты генерации колебаний в резонаторе 1. Постановка же трубки Вентури 5 позволит обеспечить независимость параметров потока в устройстве вплоть до увеличения противодавления в пласте до величины, составляющей 0,8 - 0,85 величины давления на входе в устройство. Таким образом, обеспечивается расширение области поддержания неизменными энергетических параметров (частота, мощность и др.) излучателя при изменении величины противодавления на забое скважины.

Перестройка частоты акустических колебаний устройством обеспечивается как изменением расстояния установки рассекателя 3 от резонатора 1, так и заменой резонатора одной длины на другую.

Для расширения диапазона возможного использования предлагаемого устройства с промысловым оборудованием различной производительности и давления предусматривается установка нескольких типоразмеров трубок Вентури, рассчитанных на различные расходы и давления агента воздействия. В рабочих условиях конкретного промысла выбирается одна наиболее приемлемая по характеристике трубка Вентури, обеспечивающая подачу рабочего агента в соответствии с технологией обработки пласта, имеющимся промысловым оборудованием. Остальные трубки Вентури заглушаются.

Конкретная реализация предложенного технического решения представляется трудоемкой. Это, в частности, касается и выбора минимального и максимального значений площади сечения сточного отверстия в донной части резонатора.

Следует подчеркнуть, что предельно допустимые (минимальные и максимальные) размеры площади сечения сточного отверстия зависят от выбора конкретного агента воздействия (воздух, азот, CO₂, перегретый пар и др.) и возможных типоразмеров резонаторов. Поэтому охват их едиными условиями в формуле изобретения не представляется возможным.

Тем не менее алгоритм расчета диаметра сточного отверстия для разных условий единый. Мы приводим конкретный расчет для случая использования воздуха в качестве агента воздействия.

Порядок определения минимального значения площади сечения сточного отверстия в донной части резонатора заключается в следующем: используемый рабочий агент (например, воздух), поступая на вход в компрессор, характеризуется в зависимости от давления и температуры окружающей среды абсолютной влажностью (массовое содержание водяного пара в единице объема воздуха - 1 м³). В предельном случае он характеризуется максимальной абсолютной влажностью (массовое содержание насыщенного водяного пара в 1 м³ воздуха). При относительной влажности 100% абсолютная и максимальная абсолютная влажности равны друг другу. Как правило, компрессорные установки рассчитываются на эксплуатацию в условиях 100% относительно влажности рабочего агента. При подаче агента на забой скважины температура его может значительно понижаться (до значений ниже температуры окружающей среды). В результате возможен переход насыщенного водяного пара в конденсат, который и будет поступать в резонатор. При этом предельное количество конденсата в единицу времени определяется произведением объемного расхода компрессора за единицу на массовое содержание насыщенного водяного пара в 1 м³ воздуха и на соотношение площадей сечений резонатора и проточной полости.

Площадь сечения сточного отверстия в резонаторе определяется по зависимости, включающей массовый расход в единицу времени, коэффициент расхода через отверстие (зависящий от формы отверстия), плотность жидкости и перепад давления ан сточном отверстии. С достаточной для практики точностью за величину перепада давления можно принять амплитуду колебания давления в полости резонатора.

Расчет предельной амплитуды колебания давления в полости резонатора приводится в работе (Brocher Eric and Duport Elisaberh. Resonance in a subsonic flowfield. AIAA Journal. 1988, 26, N 5, 548 - 552).

Максимальная площадь сечения диаметра сточного отверстия определяется на основе сравнительной оценки величины добротности системы. Как известно [Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: Высшая школа. 1978, С. 15] добротность системы есть величина, обратная коэффициенту потерь и равна числу полных колебаний, соответствующих уменьшению амплитуды в e^π раз.

Оценку значения величины добротности возможно выполнить на основе метода электроакустических аналогий, в которых используют (Лепендин Л.Ф. "Акустика". М: Высшая школа. 1978. С. 62): акустическая масса - m_а, акустическая податливость - c_а и акустическое сопротивление - r_а.

В этом случае зависимость добротности резонатора с заглушенной донной частью имеет вид (Лепендин Л.Ф. "Акустика". М.: Высшая школа, 1978. С. 15., Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы". М.: Мир. 1971. С. 95).:

где θ - добротность;
ω₀ - собственная угловая частота колебаний потока в резонаторе;

a - скорость звука;
l - длина полости резонатора.

Известно, что рабочий процесс в полости резонатора состоит из фазы втекания и фазы вытекания рабочего тела
При наличии сточного отверстия в донной части резонатора при фазе втекания, вследствие непрерывного вытекания части массового расхода воздуха, уменьшается масса рабочего тела в полости. Это уменьшение прямо пропорционально расходу воздуха через сочное отверстие.

Соответственно уменьшается в осредненная плотность воздуха в резонаторе, что вызывает в такой же мере снижение добротности резонатора.

Пример расчета:
1) Исходные данные.

агент воздействия - воздух;
относительная влажность - 100%;
температура окружающей среды - +33^oC;
объемная производительность компрессора (q) - 1,8 нм³/с (2,32 кг/с);
число Маха в проточной полости (М) - 0,1;
давление в потоке (Ра) - 15 кг/см²;
показатель адиабаты (γ) - 1,43 (1,4);
площадь сечения проточной полости (F_п.п. - 38,5 см²;
площадь сечения полости резонатора (F_р) - 5 см².

2) Расчет.

2.1 Минимальный диаметр сточного отверстия.

2.1.1. Абсолютная влажность воздуха при температуре 33^oC - ρ_n = 35 г/м³ (см. "Карманный справочник нефтепереработчика". Ленинград. "Химия", 1989, с. 454.

2.1.2 Предельное содержание конденсата, поступающего в проточную полость устройства
m_nn= ρ_n•q = 35•1,8 = 63 г/c.
2.1.3. Предельное содержание конденсата, поступающего в полость резонатора
m_p = m_nn • F_p/F_nn = 63 • 5/38,5 = 8,2 г/с.

2.1.4 Предельная амплитуда колебания давления в полости резонатора
ΔP = 2γMp_a= 2,8•0,1•15 = 4,2 кг/см².
2.1.5 Минимальное значение площади сечения сточного отверстия в донной части резонатора (с учетом знакопеременной величины амплитуды относительно давления в потоке - p_а)

где 2 - коэффициент, учитывающий знакопеременность амплитуды;
μ - коэффициент расхода через отверстие (например, = 0,7);
ρ - удельный вес конденсата (воды), ρ = 0,001 кг/см³

При круглом отверстии его диаметр составляет

Для любого другого газа, который используется в качестве агента воздействия (азот, CO₂, перегретый пар и др.), расчет минимального значения диаметра сточного отверстия в резонаторе может быть произведен аналогичным путем.

2.2 Максимальный диаметр сточного отверстия.

2.2.1 Добротность резонатора при отсутствии сточного отверстия
θ = ω₀ρ_вF_p/(8η_вπ),
где ρ_в - плотность воздуха в полости резонатора (осредненное значение);
η_в - динамическая вязкость воздуха.

где (для газообразной среды процессы, имеющие место при распространении низкочастотных звуковых колебаний, обычно предполагают изотермическими, Хачатурян С.А. "Волновые процессы в компрессорных установках", М.: Машиностроение. 1983. С. 24).

η_в≈ 1,983•10^-5 кг/м•с (Себиси Т., Брэдшоу П. "Конвективный теплообмен" - М.: Мир. 1987, с. 559).

2.2.2 При расходе истечения, составляющем, например 10% от втекающего в резонатор, площадь сточного отверстия в донной части резонатора составит (с учетом коэффициента расхода воздуха ≈0,93):
F_отв = F_p•0,1/0,93 = 0,0005•0,1/0,93=0,54 см².

Диаметр сточного отверстия -
2.2.3 Добротность резонатора снизится на ≈10% и составит θ′ = 3350.
2.2.4 Поскольку предлагаемая акустическая система низкочастотная (при длине полости резонатора 1=3,4 м частота генерации колебаний давления f=25 Гц), то понижение добротности на ≈10% приведет к снижению амплитуды колебаний давления также примерно на 10% и предельная амплитуда колебаний давления в полости резонатора составит ΔP = 3,7 кг/см² (вместо 4,2 кг/см²).

В свою очередь это вызовет снижение мощности устройства также на ≈10%, что не повлечет еще существенного снижения плотности энергии упругих колебаний при распространении их в продуктивном пласте.

Дальнейшее увеличение диаметра сточного отверстия представляется нецелесообразным, практически же можно его диаметр выбрать как среднее значение максимально и минимально определенным значениями, т.е. ~4 - 5 мм.

Использование устройства для обработки продуктивных пластов позволяет обеспечить высокую надежность процесса воздействия на пласт, увеличить его отдачу и повысить экономичность за счет использования энергии потока рабочего тела для возбуждения акустических звуковых колебаний излучателем при воздействии последних на пласт.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для создания звуковых полей высокой интенсивности в пласте для повышения его продуктивности. Устройство содержит акустический резонатор с ориентированной в сторону набегающего потока рабочего агента входной частью и рассекатель, установленный перед резонатором. Устройство содержит проточную полость, установленную в потоке рабочего агента и ограничивающую его поперечное сечение. Входная часть проточной полости выполнена в виде по меньшей мере одной трубки Вентури. Резонатор и рассекатель установлены внутри проточной полости. В донной части резонатора выполнено сточное отверстие. Использование изобретения повышает эффективность и экономичность воздействия на продуктивный пласт за счет повышения стабильности параметров излучателя как при наличии в потоке рабочего агента конденсата, так и при изменении диаметра скважин, а также за счет устранения опасности срыва процесса генерации колебаний. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для обработки продуктивных пластов, содержащее акустический резонатор с ориентированной в сторону набегающего потока рабочего агента входной частью и рассекатель, установленный перед резонатором, отличающееся тем, что оно содержит проточную полость, установленную в потоке рабочего агента и ограничивающую его поперечное сечение, при этом выходная часть проточной полости выполнена в виде по меньшей мере одной трубки Вентури, а резонатор и рассекатель установлены внутри проточной полости, причем в донной части резонатора выполнено сточное отверстие. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проточная полость выполнена в виде отрезка трубы.