СКВАЖИННОЕ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК E21B43/00 E21B43/25 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для использования в нефтяной и газовой промышленности, в частности, для воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин.

Известно скважинное термоакустическое устройство, содержащее опорный корпус, магнитострикционный вибратор и акустический отражатель (SU 1086131 A, 15.04.1984).

Это устройство предназначено для термоакустического воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин. Однако оно может генерировать акустическую мощность только в ультрозвуковом диапазоне. Необходимость использования для известного устройства тока ультразвуковой частоты обуславливает высокий уровень потерь напряжения в кабеле и потерь мощности в самом магнитострикционном материале при его перемагничивании.

В устройстве также велики конструкционные потери мощности. Радиально колеблющийся корпус, без какого-либо демпфера через резьбовое соединение жестко соединен с колонной насосно-компрессорных труб. Это приводит к утечке колебательной мощности в колонну и существенно снижает надежность и ресурс работы.

В результате этого фактическая интенсивность излучения известного устройства у забоя скважины в ультразвуковом диапазоне не превышает 0,5 Вт/см².

При столь малой интенсивности и сильном затухании ультразвуковых волн в пористых горных породах радиус эффективного воздействия мал, что исключает возможность создания термоакустического поля высокой интенсивности, достаточно распространненого в радиальном направлении.

В то же время, в ряде случаев более эффективным является воздействие на призабойную зону акустическими волнами звуковой частоты, в частности в диапазоне 0,5-2 кГц.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение эффективности работы устройства, путем исключения негативных явлений, связанных с необходимостью питания скважинного термоакустического устройства током ультразвуковой частоты, оптимизации условий излучения вибратором акустической энергии в скважинную среду, повышением технологического эффекта воздействия акустического поля на продуктивный пласт за счет снижения частоты.

Эта задача достигается тем, что в первом варианте изобретения вибратор выполнен стержневым и закреплен в опорном корпусе над акустическим отражателем на расстоянии между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибратора, при этом в опорном корпусе между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя выполнено окно для излучения в скважинную жидкость акустической волны.

В описываемом случае для улучшения ввода акустической энергии в скважинную среду в опорном корпусе на расстоянии L_ж установлен акустический отражатель, от которого на высоту (0,8-0,85)L_ж выполнено окно для выхода акустической волны в скважинную жидкость.

L_ж определяется соотношением.

где C_ж и C_в - скорости звука в скважинной жидкости и материале вибратора; L_ж - длина стержневого вибратора.

где f_p - резонансная частота стержневого вибратора;
E и p - приведенные значения модуля упругости и плотности материала, из которого изготовлен стержневой вибратор.

При осуществлении условий (1) в столбе скважинной жидкости, заключенном между излучающим торцом стержневого вибратора и отражателем, установятся резонансные колебания с образованием продольной стоячей и бегущей волн.

Фронт бегущей волны вследствие наличия в опорном корпусе окна и отражателя будет направлен под углом 90^o к оси скважины, а поверхность фронта, как и в случае излучения кольцевым вибратором, параллельна боковой стенке скважины.

Особенностью резонансных колебаний жидкостного столба между излучающим торцом вибратора и отражателем заключается в возможности накачки в него акустической энергии и кратного (в n раз) увеличения звукового давления. Так как в данном случае продольная стоячая волна в столбе жидкости создает условие для генерации поперечной бегущей волны, распространяющейся в направлении перпендикулярно стенке скважины, то интенсивность бегущей волны J_б будет увеличена в n² раз.

где n - динамический коэффициент;
p_ж C_ж - волновое сопротивление скважинной жидкости.

Во втором варианте изобретения поставленная задача достигается тем, что устройство снабжено дополнительным магнитострикционным вибратором, причем оба вибратора выполнены стержневыми и закреплены в опорном корпусе на расстоянии между излучающими торцами вибраторов, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибратора, излучающие торцы вибраторов соединены упругой вставкой, в которой установлен токоподвод, при этом в опорном корпусе между излучающими торцами вибраторов выполнены окна для излучения в скважинную жидкость акустической волны.

Кроме того, собственная частота одного из попарно расположенных вибраторов отличается от соседнего на 5-50 Гц.

На фиг. 1 изображено скважинное термоакустическое устройство с одним вибратором, продольный разрез; на фиг. 2 - то же с двумя вибраторами.

Устройство, описанное в первом варианте, состоит из опорного корпуса 1 с окнами 2, расположенными между излучающим торцом вибратора 4 и отражающей поверхностью отражателя 5. Вибратор состоит из 2-х стержней 6, изготовленных из пластин магнитострикционного сплава. Пластины для повышения энергопреобразующей способности подвергнуты термомеханической обработке, заключающейся в отжиге и охлаждении под действием механических колебаний. На стержни наложены обмотки возбуждения 7 и теплопроводные ребра 8, служащие для передачи тепла от магнитострикционных стержней к напрессованному на них корпусу 9 вибратора 4.

С целью обеспечения герметичности и устранения конструкционных потерь энергии на преодоление трения между элементами конструкции, внутренняя полость вибратора залита термостойким эпоксидным компаундом. После отвердения компаунда вся система превращается в монолит. На корпусе вибратора в средней части имеется резьба 11, с помощью которой вибратор жестко соединяется с опорным корпусом 1 для образования в этих местах узлов колебаний. Через выполненные в опорном корпусе 1 окна 2 осуществляется излучение акустической волны в скважинную жидкость. Стержневой вибратор закреплен в опорном корпусе 1 над акустическим отражателем 5 на расстоянии между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибратора. Верхний конец вибратора 4 герметично отделен от скважинной среды трубчатым кожухом 10, навинченным на резьбу 11 корпуса 9 вибратора 4. Кожух 10 образует с корпусом 9 вибратора 4 кольцевое пространство, заполненное маслом или другой теплопроводной жидкостью, обладающей хорошими смазывающими свойствами. В верхней части кожуха 10 установлен жидкостной или другой подвижный контакт 12, позволяющий осуществить электрическое соединение кабельного ввода 13 с контактным стержнем 14, вмонтированным в колеблющийся торец вибратора 4.

Акустический отражатель 5 представляет из себя упругий элемент с малым волновым сопротивлением (например, губчатая резина), в верхней части кожуха 10 акустический отражатель образован воздушной подушкой 15.

Описанное устройство работает следующим образом.

Питающий ток от наземного источника по кабелю-тросу 23, через разъем 21 поступает в обмотки 7 вибратора 4.

Изменением частоты тока наземного питающего генератора вибратор 4 вводится в режим резонансных колебаний. Между излучающим торцом вибратора 4 и отражателем 5 в столбе скважинной жидкости устанавливается резонансный режим колебаний, поскольку расстояние между ними подбирается равным нечетному числу полуволн в скважинной жидкости. При этом образуются продольные стоячие и бегущие волны, которые излучаются через окна 2 в опорном корпусе 1 к стенкам скважины и далее через цементное кольцо в нефтеносный пласт. Стоячая волна в столбе жидкости синхронно подпитывается торцом вибратора 4, а волновое излучение в продольном направлении невозможно, т.к. волны взаимно отражаются от торцов вибратора и отражателя.

Таким образом, происходит трансформация продольного излучения в поперечное. Интенсивность излучения преобразованной поперечной волны будет примерно равна мощности излучения торца вибратора, деленному на площадь окна в опорном корпусе.

Термическая обработка призабойной зоны пласта осуществляется за счет утилизации тепла, выделяющегося в магнитострикционных стержнях и их обмотке. Тепло от стержней к корпусу отводится через теплопроводные ребра 8, установленные между витками обмоток возбуждения, и далее через жидкость, находящуюся в кольцевых зазорах, и стенки кожуха в скважинное пространство.

Устройство, описанное во втором варианте изобретения и изображенное на фиг. 2, состоит из опорного корпуса 1 с окнами 2, расположенными в средней части корпуса, двух магнитострикционных продольных вибраторов 3 и 4. Каждый вибратор состоит из 2-х стержней 5, изготовленных из пластин магнитострикционного сплава. Пластины для повышения энергопреобразующей способности подвергнуты термомеханической обработке, заключающейся в отжиге и охлаждении под действием механических колебаний. На стержни наложены обмотки возбуждения 6 и теплопроводные ребра 7, служащие для передачи тепла от магнитострикционных стержней к напрессованному на них корпусу 8 вибратора 3.

С целью обеспечения герметичности и устранения конструкционных потерь энергии на преодоление трения между элементами конструкции, внутренняя полость вибраторов залита термостойким эпоксидным компаундом. После отвердения компаунда вся система превращается в монолит.

На корпусах вибраторов в средней части имеется резьба 9, с помощью которой вибраторы жестко соединяются с опорным корпусом 1 для образования в этих местах узлов колебаний.

В опорном корпусе 1 вибраторы 3 и 4 закреплены так, что расстояние между их излучающими торцами равняется нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибраторов 3 и 4.

В средней части опорного корпуса расположены окна 2, через которые осуществляется излучение акустической мощности в скважинную среду.

Излучающие торцы вибраторов 10 и 11 соединены механически и электрически согласующей вставкой 12.

Внутрь вставки 12 вмонтирован токопроводящий кабель 13, через который осуществляется последовательное соединение обмоток возбуждения вибраторов 3 и 4.

Верхний конец вибратора 3 и нижний конец вибратора 4, имеющие длину, равную четверти волны, герметично отделены от скважинной среды трубчатыми кожухами 14 и 15, навинченными на резьбу 9 корпусов вибраторов.

Кожухи образуют с вибраторами кольцевое пространство, заполненное маслом или другой теплопроводной жидкостью, обладающей хорошими смазывающими свойствами.

В верхней части кожуха установлен жидкостной или другой подвижный контакт 16, позволяющий осуществить электрическое соединение кабельного ввода 17 с контактным стержнем 18, вмонтированным в колеблющийся торец вибратора 3.

Кольцевое пространство между кожухами 14 и 15 заполнено трансформаторным маслом для лучшей передачи тепла от корпусов вибраторов в скважинную среду.

В нижней части трубчатого кожуха 15 для предотвращения излучения нижним торцом вибратора 4 установлен акустический отражатель 19, представляющий из себя упругий элемент с малым волновым сопротивлением (например, губчатая резина), в верхней части кожуха 14 акустический отражатель образован воздушной подушкой 20.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Питающий ток от наземного источника по кабелю-тросу через разъем 21 поступает к вибратору 3 и далее через согласующую вставку 12 к вибратору 4.

Изменением частоты питающего тока наземного генератора вибраторы 3 и 4 вводятся в режим резонансных колебаний.

С целью обеспечения возможности одновременного излучения упругих волн в двух диапазонах частот 500-2000 Гц и 5-50 Гц собственные частоты попарно расположенных вибраторов отличаются на 5-50 Гц.

Так как два продольных вибратора расположены в опорном корпусе на расстоянии, равном половине длины волны в столбе скважинной жидкости на резонансной частоте, то вибраторы и расположенный между ними столб жидкости составляют единую колебательную систему, состоящую из 3-х полуволн. При этом стоячая волна в столбе жидкости синхронно подпитывается акустической мощностью, генерируемой вибраторами 3 и 4. В то же время излучение акустической мощности в продольном направлении невозможно, т.к. волны взаимно отражаются от колеблющихся торцов вибраторов. Поэтому здесь происходит трансформация продольной волны в поперечную. Интенсивность излучения преобразованной поперечной волны будет примерно равна суммарной мощности излучения двух вибраторов, деленной на площадь окон в опорном корпусе.

Подогрев продуктивного пласта осуществляется за счет утилизации тепла, выделяющегося в магнитострикционных стержнях вибраторов при их перемагничивании. Тепло отводится от магнитострикционных стержней через теплопроводные ребра 7, установленные между витками обмоток возбуждения, и далее через жидкость, находящуюся в кольцевых зазорах, в скважинное пространство.

В том случае, когда собственные частоты попарно расположенных вибраторов отличаются на 5-50 Гц, излучение в межторцовом пространстве производится на биениях с несущей частотой, близкой к частоте одного из вибраторов и огибающей модулированной низкой частоте.

Технико-экономическая эффективность данного устройства достигается созданием распространенного на большую площадь эффекта многократного повышения проницаемости призабойной зоны, что обеспечивает кратное увеличение притока нефти или газа в скважинную жидкость.

Изобретение предназначено для использования в нефтяной и газовой промышленности, в частности для воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин. Задачей изобретения является повышение работы устройства. Для этого по первому варианту устройство содержит опорный корпус, магнитострикционный вибратор (МСВ) и акустический отражатель (АО). При этом МСВ выполнен стержневым и закреплен в опорном корпусе над АО. Расстояние между излучающим торцом МСВ и отражающей поверхностью АО равно нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости (СЖ) на резонансной частоте МСВ. В опорном корпусе между излучающим торцом МСВ и отражающей поверхностью АО выполнено окно для излучения в СЖ акустической волны. По второму варианту устройство содержит дополнительный, по меньшей мере, один МСВ. Оба МСВ выполнены стержневыми и закреплены в опорном корпусе на расстоянии между излучающими торцами МСВ, равном нечетному числу полуволн, установившихся в СЖ на резонансной частоте МСВ. Излучающие торцы МСВ соединены упругой вставкой. В ней установлен токоподвод. В опорном корпусе между излучающими торцами МСВ выполнены окна для излучения в СЖ акустической волны. Собственная частота одного из попарно расположенных МСВ отличается от соседнего на 5 - 50 Гц. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Скважинное термоакустическое устройство, содержащее опорный корпус, магнитострикционный вибратор и акустический отражатель, отличающееся тем, что вибратор выполнен стержневым и закреплен в опорном корпусе над акустическим отражателем на расстоянии между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибратора, при этом в опорном корпусе между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя выполнено окно для излучения в скважинную жидкость акустической волны. 2. Скважинное термоакустическое устройство, содержащее опорный корпус, магнитострикционный вибратор и акустический отражатель, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным, по меньшей мере, одним магнитострикционным вибратором, причем оба вибратора выполнены стержневыми и закреплены в опорном корпусе на расстоянии между излучающими торцами вибраторов, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибраторов, излучающие торцы вибраторов соединены упругой вставкой, в которой установлен токоподвод, при этом в опорном корпусе между излучающими торцами вибраторов выполнены окна для излучения в скважинную жидкость акустической волны. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что собственная частота одного из попарно расположенных вибраторов отличается от соседнего на 5 - 50 Гц.