СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТИВНОЙ ЗОНЫ СКВАЖИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК E21B43/25 E21B28/00 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, может быть использовано для повышения дебита малопродуктивных скважин и для реабилитации скважин, считающихся неперспективными.

Среди методов воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин с целью повышения их производительности в последнее время большое место отводится методу акустического воздействия, обеспечивающего восстановление и улучшение притока нефти и газа из продуктивного пласта в зону выработки [1, 2].

Известны способы акустической обработки, основанные на возбуждении акустических колебаний в продуктивной зоне пласта скважинными излучателями, эффективность действия которых достигается размещением излучателя вблизи зоны обработки [1, 3, 4].

Известные способы разделяются по частотному диапазону акустического воздействия. Способы электрогидравлического, ударного, взрывного и гидродинамического воздействия инициируют, главным образом, низкочастотные акустические колебания [5], которые могут воздействовать на продуктивный пласт, обеспечивая повышение пластового давления и вовлечение в работу застойных зон пласта. Наибольшая эффективность акустического воздействия достигается, если частоты воздействия близки к доминантным частотам, определяемым геофизическими характеристиками пласта и лежащими в низкочастотной области [6].

Перечисленные выше способы акустического воздействия с помощью взрывных, гидродинамических и иных излучателей импульсного типа не дают возможности реализовать низкочастотное акустическое воздействие, адаптирующееся к геофизическим характеристикам, так как спектр их излучения является нерегулируемым.

Известны способы высокочастотного акустического воздействия на продуктивную зону скважины в технологическом диапазоне частот 10 - 25 кГц, реализуемые с помощью пьезоэлектрических или магнитострикционных излучателей [3, 7, 8]. При воздействии высокочастотных акустических колебаний изменяются физико-химические характеристики продуктивного пласта [3, 4], что приводит к очистке коллектора от загрязнений. Однако область их воздействия ограничена ближней зоной скважины вследствие быстрого затухания высокочастотных колебаний.

Каждый из этих способов, низкочастотный или высокочастотный, реализуемый в отдельности, не обеспечивает волнового воздействия на значительную область пласта и, следовательно, не может обеспечить существенного повышения нефтеотдачи.

Техническим решением, наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и совокупности существенных признаков, является способ, описанный в книге [3]. Известный способ основан на возбуждении скважинного акустического излучателя электрическим сигналом технологического диапазона частот, преобразовании энергии электрического сигнала в энергию акустических колебаний, воздействующих на обрабатываемую зону скважины по интервалам перфорации.

Реализация способа-прототипа осуществляется с помощью устройства-прототипа, описанного в [10] и содержащего последовательно включенные устройство управления, выполненное на задающем генераторе и фазоимпульсном модуляторе, генераторное устройство, согласующее устройство, кабель, скважинный акустический излучатель, а также силовой выпрямитель, вход которого соединен с клеммами первичной сети электропитания, а выход - с шиной электропитания генераторного устройства.

В соответствии с известным способом и устройством его реализации обработка продуктивной зоны скважины осуществляется тональными акустическими колебаниями, частотный диапазон которых лежит в технологическом диапазоне 15 - 25 кГц. Выделенный диапазон частот соответствует техническим возможностям эффективной работы акустических излучателей, реализуемых в габаритах скважинных снарядов диаметром не более 110 мм, что определяется диаметром обсадной колонны скважины.

Акустическая мощность известных скважинных излучателей, выполненных из магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователей, не превышает 0,5 - 5 кВт при частотах преобразования не ниже 10 кГц. Акустические колебания технологического диапазона частот быстро затухают при распространении в горных породах коллектора, и эффективная область обработки не превышает 0,5 - 1 м прискважинной зоны [4]. Увеличить зону воздействия можно понижением частоты акустических колебаний, что вступает в противоречие с техническими возможностями эффективной работы скважинных излучателей. Таким образом, недостатком известного способа и устройства является низкая эффективность обработки продуктивных пластов, связанных с зоной выработки скважин.

Задачей настоящего изобретения является повышение дебита скважины путем реализации мощного акустического излучения в расширенном технологическом высокочастотном диапазоне частот технологического диапазона и в низкочастотном диапазоне, что обеспечивает возбуждение как ближних, так и удаленных от скважины продуктивных слоев.

Для решения поставленной задачи в известном способе обработки продуктивной зоны скважины, основанном на возбуждении скважинного акустического излучателя электрическим сигналом технологического диапазона частот, преобразовании энергии электрического сигнала в энергию акустических колебаний, воздействующих на обрабатываемую зону скважины по интервалам перфорации, дополнительно осуществляют следующие операции:
- скважинный акустический излучатель возбуждают электрическим сигналом, спектр которого формируют в виде суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона; акустическими колебаниями ряда частот технологического диапазона воздействуют на ближнюю продуктивную зону скважины;
- на дальнюю продуктивную зону скважины воздействуют низкочастотными акустическими колебаниями комбинационных разностных частот нелинейного взаимодействия сигналов ряда частот технологического диапазона.

Наибольший эффект от использования предлагаемого способа достигается, когда исходные частоты технологического диапазона устанавливаются в диапазоне 10 - 60 кГц с учетом геофизических характеристик ближней продуктивной зоны скважины так, что комбинационные разностные частоты лежат в диапазоне 20 - 4000 Гц с учетом геофизических свойств дальней продуктивной зоны скважины.

Технико-технологические показатели предлагаемого способа являются наиболее эффективными, если обработку продуктивной зоны скважины в интервале перфорации осуществляют с шагом через 1 - 2 м скважинным акустическим излучателем с длиной активной базы 0,5 - 1,5 м, акустической мощностью 0,5 - 5 кВт, причем на каждом шаге скважинный акустический излучатель возбуждают сначала тональным частотно-модулированным электрическим сигналом в течение 0,1 - 1 часа, а затем электрическим сигналом в виде суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона, в том числе частотно-модулированными, в течение 1 - 4 часов.

Возможна реализация предлагаемого способа, когда в качестве суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона выбирают сумму (биения) двух высокочастотных составляющих, причем одну из этих составляющих модулируют по частоте в диапазоне низких, разностных частот.

Технический эффект от использования изобретения состоит в следующем:
- поскольку геофизические параметры продуктивного пласта и прискважинной зоны (вязкость, пористость, масштабы стратифицированности и др.) имеют значительный диапазон изменения, а физико-химические механизмы, определяющие режим акустического воздействия (изменение вязкости, тепловыделение, микротечения, кавитационные эффекты, локальные резонансы и др. [3, 4], частотно-зависимыми, то воздействие спектром высокочастотных составляющих, диапазон которых расширен до 10 - 60 кГц, позволяет возбуждать различные процессы улучшения коллекторных свойств ближней зоны выработки, имеющие собственные частотные характеристики;
- при одновременном излучении высокочастотных сигналов двух и более частот их взаимодействие вследствие нелинейности среды вызывает появление разностных (низкочастотных) колебаний; сигналы этих частот, затухающие значительно дольше первичных высокочастотных сигналов, проникают в дальнюю продуктивную зону; при этом дополнительно включаются резонансные механизмы тех пространственных масштабов, в том числе в ближней зоне, которые могут быть активизированы на более низких частотах, лежащих в диапазоне 20 - 4000 Гц, совпадающем с диапазоном доминантных частот пластов [6];
- управление составляющими в высокочастотной и низкочастотной областях излучаемого сигнала при выборе частот технологического диапазона и комбинационных разностных частот с учетом геофизических характеристик позволяет наиболее эффективно активизировать физико-химические механизмы различных пространственных масштабов;
- изменение частот технологического диапазона и комбинационных разностных частот в процессе воздействия, а также излучение частотно-модулированных сигналов дает дополнительные возможности по расширению спектра акустических колебаний и обеспечивает адаптацию параметров акустического воздействия к изменяющимся условиям в процессе обработки;
- обработка продуктивной зоны скважины сложными акустическими колебаниями мощностью 0,5 - 5 кВт, формируемыми скважинным излучателем с активной базой 0,5 - 1,5 м шагами через 1 - 2 м последовательно на каждом шаге высокочастотным сигналом для "раскачки" ближней зоны в течение 0,1 - 1 часа и сигналом комбинационных разностных частот для воздействия низкочастотными колебаниями на дальнюю зону, обеспечивает эффективное воздействие на продуктивный пласт в целом; длительность воздействия подбирается экспериментально.

Таким образом, возбуждение скважинного акустического излучателя сложным сигналом ряда частот технологического диапазона обеспечивает обработку ближней и дальней зон продуктивного пласта высокочастотными и низкочастотными акустическими колебаниями, вызывает высокую эффективность инициирования различных механизмов увеличения дебита скважины.

Устройство для реализации предлагаемого способа акустической обработки продуктивной зоны скважины выполняется на известном устройстве, содержащем последовательно включенные устройство управления, выполненное на задающем генераторе и фазоимпульсном модуляторе, генераторное устройство, согласующее устройство, кабель, скважинный акустический излучатель, а также силовой выпрямитель, вход которого соединен с клеммами первичной сети электропитания генераторного устройства, в изобретении генераторное устройство содержит ряд ключевых усилителей мощности, включенных параллельно шинами электропитания к шине электропитания генераторного устройства и последовательно выходными шинами к выходным шинам генераторного устройства, задающий генератор и фазоимпульсный модулятор выполнены многоканальными, причем выходы каналов задающего генератора через каналы фазоимпульсного модулятора соединены с входами управления соответствующих ключевых усилителей мощности генераторного устройства, а вход управления многоканального фазоимпульсного модулятора соединен с шиной управляющего напряжения.

Совокупность вновь введенных блоков и связей в предлагаемом устройстве позволяет достигнуть возбуждения скважинного акустического излучателя электрическим сигналом в виде суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона, что необходимо для воздействия на продуктивную зону колебаниями высоких частот технологического диапазона и низких комбинационных разностных частот.

Таким образом, предложенное устройство полностью обеспечивает технический эффект заявляемого способа.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 и 2 приведены структурная схема устройства и временные диаграммы, соответственно. Фиг. 2 иллюстрирует временные диаграммы сигналов, поясняющие работу предлагаемого устройства при его выполнении по двухканальной схеме.

Устройство для реализации предложенного способа акустической обработки (фиг. 1) содержит устройство управления 1, включающее N-канальный задающий генератор 1.1 и N-канальный фазоимпульсный модулятор 1.2, генераторное устройство 2, выполненное на N ключевых усилителях мощности (КУМ) 2.1 - 2.N, согласующее устройство 3, силовой выпрямитель 4, кабель 5, скважинный акустический излучатель 6.

Устройство управления 1 предназначено для формирования ряда импульсных сигналов (2N-сигналов) заданных частот технологического диапазона (N частот), попарно модулированных по фазовому положению, поступающих на управление соответствующих КУМ 2.1 - 2.N многоканального генераторного устройства 2.

Задающий генератор 1.1 предназначен для формирования импульсных сигналов заданного ряда частот технологического диапазона, поступающих на входы соответствующих каналов фазоимпульсного модулятора 1.2. Каналы фазоимпульсного модулятора 1.2 могут быть выполнены по известной схеме (9) и обеспечивают преобразование входного сигнала заданной частоты в два импульсных напряжения, сдвинутых по фазе пропорционально уровню сигнала на шине управления.

Каналы генераторного устройства 2, выполненные на ключевых усилителях мощности 2.1 - 2.N, реализованы по мостовым схемам с трансформаторным выходом. КУМ предназначены для ключевого усиления по мощности импульсных сигналов соответствующей частоты технологического диапазона, модулированных по фазе. Выходной сигнал отдельных каналов КУМ представляет собой знакопеременное импульсное напряжение установленной частоты технологического диапазона, модулированное по длительности импульсов в соответствии с заданным фазовым сдвигом.

Суммарный выходной сигнал генераторного устройства 2 формируется в результате последовательного сложения выходных сигналов отдельных каналов КУМ и представляет собой импульсный комбинированный сигнал установленного ряда частот технологического диапазона.

Согласующее устройство 3 обеспечивает резонансную фильтрацию комбинированного сигнала в технологическом диапазоне частот и согласование выхода генераторного устройства через кабель 5 с входом скважинного акустического излучателя 6.

Силовой выпрямитель 4 предназначен для преобразования напряжения промышленной сети переменного тока 3ф 50 Гц 380 В в напряжение питания генераторного устройства. При реализации оконечных каскадов КУМ на мощных высоковольтных биполярных полевых транзисторах (при допустимом напряжении более 600 В) силовой выпрямитель 4 может быть выполнен по бестрансформаторной схеме на трехфазном диодном мосте.

Скважинный акустический излучатель 6 выполняется на цилиндрических или стержневых пьезоэлектрических преобразователях. Излучатель обеспечивает преобразование комбинированного электрического сигнала в акустические колебания.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В скважину, подлежащую акустической обработке, опускают акустический скважинный излучатель 6 до уровня призабойной зоны продуктивного пласта. Этот уровень определяется по результатам предшествующих акустическому воздействию геофизических обследований скважины. В устройстве управления 1 устанавливают уровень акустической мощности с учетом КПД акустического излучателя и затухания в кабеле, несущую частоту сигнала из технологического диапазона частот и девиацию частоты. Выполняют акустическое воздействие в течение 0,1 - 1 часа. Вследствие такого воздействия происходит "раскачка" продуктивной зоны, сопровождаемая первичной "прочисткой" ближней зоны скважины, изменением температуры, первичными микроразрушениями и проч. Затем в течение 0,5 - 4 часов осуществляют акустическое воздействие комбинированным сигналом, спектральные составляющие которого устанавливают в технологическом диапазоне частот 10 - 60 кГц при комбинационных разностных частотах 20 - 4000 Гц. В этот же период спектральный состав акустического воздействия может быть изменен, при этом комбинированный сигнал может быть сформирован из биений двух частот с девиацией одной или обеих частот. При комбинированном акустическом воздействии возникающие в среде низкочастотные сигналы, вследствие меньшего затухания, проникают в более удаленные от скважины зоны пласта, дополнительно возбуждаются физические механизмы, масштабы реагирования которых соответствуют масштабам низкочастотного возбуждения. Далее цикл акустического воздействия повторяют, перемещая акустический излучатель на 1 - 2 м ниже предшествующего положения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Многоканальный задающий генератор формирует ряд импульсных сигналов соответствующих частот технологического диапазона, которые поступают на входы многоканального фазоимпульсного модулятора. Каждый сигнал частоты технологического диапазона преобразуется соответствующим каналом фазоимпульсного модулятора в два импульсных сигнала типа меандр с заданным фазовым сдвигом. Эти сигналы поступают на входы ключевого усилителя мощности, выполненного, например, по мостовой схеме с трансформаторным выходом. В результате в диагонали каждого КУМ и, соответственно, на его трансформаторном выходе формируется знакопеременное напряжение, относительная длительность импульсов которого определяется заданным фазовым сдвигом сигналов с фазоимпульсного модулятора, а частота повторения равна частоте соответствующего выходного сигнала выходного генератора.

Величина фазового сдвига пропорциональна уровню сигнала на шине управляющего напряжения, посредством изменения которого можно управлять относительной длительностью импульсов знакопеременных напряжений каналов КУМ. Соответственно изменяется действующее значение выходных напряжений КУМ и, следовательно, уровень мощности комбинированного выходного сигнала генераторного устройства.

Таким образом, на выходных шинах мощного генераторного устройства формируется комбинированный сигнал, со спектром, соответствующим ряду частот технологического диапазона и представляющий собой сумму импульсных напряжений отдельных каналов КУМ. При этом изменение уровня сигнала на шине управляющего напряжения соответствует изменению суммарной мощности комбинированного сигнала.

Принцип действия предлагаемого устройства при двухканальном варианте реализации поясняется временными диаграммами (фиг. 3).

Выходные сигналы V₁ и V₂ отдельных ключевых усилителей КУМ 2.1 и КУМ 2.2 при последовательном сложении преобразуются в суммарный комбинированный сигнал V. Частоты f₁ и f₂ сигналов V₁ и V₂ отличаются на разностную частоту F = |f₁-f₂|, значение которой, как правило, не более 0,1 - 0,2 средней частоты сигнала технологического диапазона f = (f₁ + f₂)/2. В результате суммарный сигнал V представляет собой сигнал биений двух частот технологического диапазона с низкочастотной огибающей. Близость частот f₁ и f₂ облегчает задачу фильтрации их первых гармоник в согласующем устройстве 3, в составе которого может быть использован обычный последовательный LC фильтр, при этом на входе кабеля 5 и, соответственно, на входах скважинного акустического излучателя 6 формируется квазисинусоидальный сигнал биений V_н с заданной низкочастотной огибающей.

В результате высокоэффективного линейного преобразования энергия комбинированного двухчастотного сигнала преобразуется в энергию радиальных акустических колебаний ряда частот технологического диапазона. При распространении таких колебаний вследствие их нелинейного взаимодействия в среде, в которой распространяется энергия, формируются низкочастотные акустические колебания.

В предлагаемом устройстве КПД генераторного устройства достигает 90 - 95% при удельной мощности порядка 300 - 500 ВА/дм³.

Хорошие энергетические и массогабаритные характеристики аппаратуры предлагаемого устройства обеспечивают удобство и эффективность его применения в экспедиционных, полигонных и промышленных условиях нефтегазодобывающих промыслов.

Предлагаемый способ акустической обработки, реализованный на базе заявленного устройства, прошел апробацию в Западно-Сибирском регионе и в Белоруссии. Аппаратура акустической обработки нового типа использована для интенсификации и реабилитации более 50-ти бездействующих и низко- и среднедебитных нефтяных скважин. Полученный коэффициент успешности составил 70% при среднем увеличении дебита более 50 - 60%, что выгодно отличает предлагаемый способ от известных, применение которых обеспечивает коэффициент успешности до 50% при среднем увеличении дебита 30 - 40%. При использовании предлагаемого способа в рамках апробации нового типа аппаратуры акустической обработки в ряде случаев наблюдалось увеличение дебита с 2 - 5 до 20 - 30 м³/сут и с 20 - 30 до 60 и более м³/сут. Время последействия нового способа акустической обработки составило от 4 до 18 месяцев. При использовании акустических излучающих систем большой мощности (до 5 кВт) в сочетании с предлагаемым способом обработки на базе нового типа генераторного устройства имел место ввод в действие ранее бездействующих (от 1 до 5 лет) скважин с выходом на первоначальный дебит 10-30 м³/сут, что подтверждает высокую эффективность заявленного технического решения.

Источники информации
1. Печков А.А., Шубин А.В. Результаты работ по повышению продуктивности скважин методом акустического воздействия. - Геоинформатика, 1998, N 3, 16 - 23.

2. Кудинов В.И., Сучков Б.М. Методы повышения производительности скважин. Самара: Самарское книжное издательство, 1996, 414 с.

3. Кузнецов О. Л., Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. - М: Недра, 1983, 193 с.

4. Горбачев Ю. И. Физико-химические основы ультразвуковой очистки нефтяных скважин. - Геоинформатика, 1998, N 3, 7 - 12.

5. Свалов А.М. О механизме волнового воздействия на продуктивные пласты. - Нефтяное хозяйство, 1996, N 7, 27 - 29
6. Патент России N 20466936.

7. Патент России N 2026969.

8. Патент США N 5460223.

9. А.С. СССР N 1614110.

10. RU N 95114542.

Способ основан на возбуждении скважинного акустического излучателя электрическим сигналом технологического диапазона частот, преобразовании энергии электрического сигнала в энергию акустических колебаний. На ближнюю продуктивную зону скважины воздействуют акустическими колебаниями суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона. На дальнюю зону воздействуют низкочастотными акустическими колебаниями комбинационных разностных частот технологического диапазона. Устройство содержит последовательно включенные устройство управления, выполненное на многоканальных задающем генераторе и фазоимпульсном модуляторе, генераторное устройство, содержащее ряд ключевых усилителей мощности, согласующее устройство, кабель, скважинный акустический излучатель и силовой выпрямитель. Вход выпрямителя соединен с клеммами первичной сети электропитания. Шина управляющего напряжения в устройстве соединена с входом управления многоканального фазоимпульсного модулятора. Изобретение позволяет повысить дебит скважин, в частности малопроизводительных, и сократить фонд бездействующих скважин. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ акустической обработки продуктивной зоны скважины, основанный на возбуждении скважинного акустического излучателя электрическим сигналом технологического диапазона частот, преобразовании энергии электрического сигнала в энергию акустических колебаний, воздействующих на обрабатываемую зону скважины по интервалам перфорации, отличающийся тем, что возбуждение акустического скважинного излучателя формируют в виде суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона, акустическими колебаниями которых воздействуют на ближнюю продуктивную зону скважины, а на дальнюю продуктивную зону скважины воздействуют низкочастотными акустическими колебаниями комбинационных разностных частот нелинейного взаимодействия акустических колебаний ряда частот технологического диапазона. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ряд частот технологического диапазона выбирают в диапазоне частот 10 - 60 кГц с учетом геофизических характеристик ближней продуктивной зоны скважины так, что комбинационные разностные частоты лежат в диапазоне 20 - 400 Гц с учетом геофизических свойств дальней продуктивной зоны скважины. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку продуктивной зоны скважины в интервалах перфорации осуществляют с шагом через 1 - 2 м скважинным акустическим излучателем с длиной активной базы 0,5 - 1,5 м, акустической мощностью 0,5 - 5 кВт, причем на каждом шаге скважинный акустический излучатель возбуждают сначала тональным частотно-модулированным электрическим сигналом в течение 0,1 - 1 ч, а затем суммой электрических сигналов ряда частот технологического диапазона в течение 0,5 - 4 ч. 4. Способ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве суммы электрических сигналов ряда частот технологического диапазона выбирают сумму электрических сигналов двух частот, один из которых модулируют по частоте. 5. Устройство акустической обработки продуктивной зоны скважины, содержащее последовательно включенные устройство управления, выполненное на задающем генераторе и фазоимпульсном модуляторе, генераторное устройство, согласующее устройство, кабель, скважинный акустический излучатель, а также силовой выпрямитель, вход которого соединен с клеммами первичной сети электропитания, а выход - с шиной электропитания генераторного устройства, отличающееся тем, что генераторное устройство содержит ряд ключевых усилителей мощности, включенных параллельно шинами электропитания к шине электропитания генераторного устройства и последовательно выходными шинами к выходным шинам генераторного устройства, задающий генератор и фазоимпульсный модулятор выполнены многоканальными, причем выходы каналов задающего генератора через каналы фазоимпульсного модулятора соединены с входами управления соответствующих ключевых усилителей мощности генераторного устройства, а вход управления многоканального фазоимпульсного модулятора соединен с шиной управляющего напряжения.