АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТИВНОЙ ЗОНЫ СКВАЖИНЫ Российский патент 2008 года по МПК E21B43/25 

Изобретение относится к нефтяной и газовой отраслям промышленности и может быть использовано для интенсификации газонефтедобычи при повышении извлекаемости углеводородного сырья.

Применение технологии акустической обработки продуктивной зоны скважин является одним из наиболее эффективных и экологически чистых способов восстановления и улучшения фильтрационных свойств коллектора [1-5], используемых для повышения дебита малопродуктивных скважин и для реабилитации скважин, считающихся неперспективными.

Известны технологические акустические системы (ТАС) [3], использующие наземные генераторные устройства и скважинные акустические излучатели, соединенные силовым скважинным кабелем. Преимуществом ТАС с силовым скважинным кабелем является возможность использования высоковольтной (до 1-3 кВ) и сильноточной (до 20-50 А) линии передачи сигнала возбуждения скважинного акустического излучателя, что обеспечивает требуемую мощность акустических колебаний, воздействующих на продуктивную зону скважин. К недостаткам таких систем относится значительная трудоемкость и ограниченная область применения, связанные с возможностью спуско-подъемных операций только по открытому стволу скважин на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ).

Известны технологические акустические системы [2, 4], использующие для передачи электрического сигнала возбуждения скважинного акустического излучателя (АИ) геофизический кабель, установленный на типовом геофизическом подъемнике. ТАС такого типа обеспечивает широкие технологические возможности применения технологии акустической обработки продуктивной зоны скважин в рамках геофизического сопровождения скважинных ремонтных операций. При этом не требуется специального использования колонны НКТ для доставки АИ к продуктивной зоне. В состав известных ТАС, как правило, входят малогабаритные скважинные АИ диаметром до 40-45 мм, обеспечивающие доставку через колонну НКТ диаметров 2,5′′-3,0′′, что позволяет проводить акустическую обработку действующих газовых, газлифтных и фонтанных добывающих скважин без остановки работы.

Малогабаритные скважинные АИ в составе известных ТАС, использующих геофизический кабель, имеют ограниченную акустическую мощность не более Р_а=400-800 Вт и пониженный коэффициент электроакустического преобразования η_а≤(0,3-0,5). Номинальная мощность возбуждения таких скважинных АИ составляет Р_н=1000-2000 ВА и может быть обеспечена через кабель КГ-3 по линии "жила-жила" при длине кабеля L=2,0-3,0 км. В большинстве случаев при более глубоких скважинах для L=4,0-5,0 км электрическая мощность P_н ограничивается параметрами кабеля.

Мощность акустических колебаний в известных ТАС, с одной стороны, ограничена использованием низкоэффективных АИ пониженной энергоемкости, с другой стороны, ограниченными возможностями линии передачи электрического сигнала возбуждения через геофизический кабель. Следствием ограниченной акустической мощности является низкая результативность применения известных ТАС для интенсификации газонефтедобычи.

Наиболее близкой к предлагаемой является ТАС, описанная в патенте [5], в составе которой используется высокоэффективный скважинный АИ, выполненный на основе пьезоактивных материалов [6, 7], с максимальной акустической мощностью до 5 кВт при КПД электроакустического преобразования η_а=0,7-0,8, что выгодно отличает устройство-прототип от известных устройств.

Дополнительным преимуществом устройства-прототипа является расширенный диапазон частот возбуждения акустических колебаний для реализации режима параметрического излучения, характеризующегося наибольшей эффективностью воздействия на продуктивный пласт. Генерация сигнала в относительном диапазоне ±20% от центральной частоты f_o обеспечивает возможность обработки продуктивной зоны скважины колебаниями комбинационных частот, соответствующих резонансным частотам многофазной структуры коллектора.

ТАС-прототип содержит последовательно включенные задающий генератор, фазоимпульсный преобразователь (ФИП), генераторное устройство, выполненное на многоканальном ключевом усилителе мощности (КУМ), согласующее устройство, геофизический кабель и излучатель, а также устройство силового электропитания, выполненное на силовом выпрямителе, включенном между шиной сети электропитания и шиной электропитания КУМ. В качестве сети электропитания используется промышленная сеть 3Ф, 50 Гц, 380 В.

По сравнению с известными ТАС, использующими геофизический кабель, соединяющий наземное генераторное устройство и скважинный акустический излучатель, устройство-прототип обеспечивает большую мощность акустических колебаний за счет повышенного КПД электроакустического преобразования высокоэффективного скважинного АИ. Однако акустическая мощность в устройстве-прототипе ограничена возможностями передачи энергии электрического сигнала возбуждения через геофизический кабель.

Для линии передачи энергии через геофизический кабель следует выделить два условия, определяющие мощность возбуждения скважинного АИ.

Во-первых, максимальная входная мощность Р_вх ограничена максимально допустимым напряжением кабеля U_доп входным сопротивлением кабеля Z_вх:

Во-вторых, полезная электрическая мощность P_R на выходе кабеля не превышает значения

где К_Р - коэффициент передачи мощности через кабель;

ϕ_н - фазовый сдвиг между током и напряжением нагрузки.

Для геофизического кабеля КГ-3 с погонным сопротивлением жилы R_ж=20-24 Ом/км при длине кабеля 2-3 км и согласованным сопротивлением нагрузки Z_н=50-80 Ом в технологическом диапазоне рабочих частот 10-30 кГц для типовой линии передачи "жила-жила" обеспечивается коэффициент передачи по мощности К_р=0,3-0,4. При этом сопротивление по входу кабеля составляет Z_вх=110-140 Ом.

Допустимое действующее напряжение геофизического кабеля между жилами линии передачи составляет U_доп=700 В. В результате максимальная мощность по входу кабеля (1) достигает Р_вх.мах=3-4,5 кВА. При этом даже в случае активной согласованной нагрузки (cosϕ_н=1) полная электрическая мощность (2) на выходе кабеля не превышает Р_R=1-1,7 кВт. Оценка показывает, что в устройстве-прототипе в наилучшем случае акустическая мощность составляет:

Соответственно, в известной ТАС [5] для типовой глубины скважины не реализуется имеющийся энергетический потенциал акустического излучателя.

Выделенный недостаток устройства-прототипа усугубляется в поддиапазоне рабочих частот комбинированных колебаний в условиях электропитания от нестабилизированной промышленной сети.

Первый фактор связан с явно выраженным реактивным характером нагрузки при генерации широкополосных сигналов.

Для АИ из пьезоактивных материалов в поддиапазоне рабочих частот f=f_o(1±0,2) для резонансной частоты f_o реактивная составляющая импеданса соизмерима с активной составляющей, что соответствует cosϕ_н=0,7. На краях диапазона значение cosϕ_н уменьшается до 0,3-0,2. В результате согласно (2) активная составляющая мощности возбуждения АИ уменьшается, и максимальная акустическая мощность (3) не превышает 0,5-1 кВт, и на краях диапазона рабочих частот падает до 0,2-0,4 кВт. Пониженная энергетическая эффективность в расширенной полосе частот в устройстве-прототипе препятствует генерации широкополосных акустических колебаний большой мощности, что приводит к понижению результативности обработки продуктивной зоны скважины.

Второй фактор обусловлен понижением номинальной мощности в условиях нестабилизированного напряжения электропитания при ограничении максимального выходного напряжения предельно допустимым значением для геофизического кабеля. На понижение энергетической эффективности и, как следствие, результативности акустической обработки продуктивной зоны скважины в устройстве-прототипе оказывает влияние возможное повышение напряжения сети электропитания от номинального значения. Для промышленной электросети 3Ф, 380 В, 50 Гц кратковременные изменения достигают до +20%-25%, что соответствует повышению напряжения К_u=1,2.

При непосредственном электропитании ключевых усилителей мощности от выпрямленного напряжения сети максимальное выходное напряжение, формируемое на выходе согласующего устройства, составляет

где U_н - номинальное напряжение на входе кабеля.

Из условия надежной работы максимальное значение напряжения не должно превышать предельно допустимые значения заданного параметрами кабеля U_мах≤U_доп. Соответственно, в устройстве-прототипе номинальное выходное напряжение не превышает значения

Следовательно, номинальная мощность на входе кабеля для заданного входного сопротивления Z_вх=110-140 Ом линии передачи через геофизический кабель равна

Таким образом, номинальная мощность возбуждения АИ, соответственно номинальная акустическая мощность Р_а колебаний, воздействующих на продуктивную зону, уменьшается в 1,4 раза и не превышает 0,3-0,7 кВт

Проведенный анализ принципа действия устройства-прототипа показывает, что номинальная акустическая мощность Р_а.н из условий обеспечения надежной работы и существенного реактивного характера нагрузки обеспечивается значительно меньше возможного максимального значения для заданной линии передачи через геофизический кабель:

где cosϕ_н=0,3-0,7;

K_u≈1,2;

Р_а.н≈Р_а.мах·(0,2...0,5).

Типовая линия передач "жила-жила" геофизического кабеля КГ-3 обеспечивает входное сопротивление не менее Z_вх=110-140 Ом при коэффициенте передачи по мощности не более К_р=0,3-0,4 при длине кабеля λ=2-3 км и менее К_р<=0,2, λ=4-5 км. В результате максимальная акустическая мощность в устройстве-прототипе не превышает

К недостаткам устройства-прототипа относится низкая результативность акустической обработки продуктивной зоны нефтегазодобывающих скважин, обусловленных пониженной энергетической эффективностью в расширенном диапазоне рабочих частот при электропитании от нестабилизированного напряжения промышленной сети в условиях ограничения допустимого напряжения и входной мощности для линии передачи "жила-жила" геофизического кабеля КГ-3.

Задачей настоящего изобретения является повышение результативности акустической обработки продуктивной зоны скважины посредством увеличения энергетической эффективности в расширенном диапазоне частот акустических колебаний при электропитании от напряжения примышленной сети.

Для решения поставленной задачи в известной технологической акустической системе для обработки продуктивной зоны скважины, содержащей задающий генератор и последовательно включенные фазоимпульсный преобразователь, ключевой усилитель мощности, согласующее устройство, геофизический кабель, а также акустический излучатель и устройство силового электропитания, вход которого подключен к шине силовой сети, а выход - к шине электропитания ключевого усилителя мощности, дополнительно введены цепь параметрической обратной связи, формирователь опорного напряжения и устройство компенсации, включенное между выходом геофизического кабеля и выводами акустического излучателя, при этом вход цепи параметрической обратной связи соединен с выходом устройства силового электропитания, а выход подключен к входу управления формирователя опорного напряжения, включенного другим входом и выходом между выходом задающего генератора и входом фазоимпульсного преобразователя.

Дополнительно повышение результативности акустической обработки продуктивной зоны скважины может быть достигнуто при использовании трехжильного кабеля посредством соединения двух жил параллельно по входу и выходу геофизического кабеля, чем обеспечивается увеличение мощности возбуждения скважинного акустического излучателя.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является обеспечение стабилизации номинального напряжения на входе геофизического кабеля на максимально допустимом уровне при условии изменения напряжения электропитания, а точнее компенсация реактивной составляющей импеданс акустического излучателя в расширенном диапазоне рабочих частот, что обеспечивает увеличение номинальной акустической мощности колебаний, воздействующих на продуктивную зону скважин и, как следствие, повышение результативности акустической обработки для интенсификации газонефтедобычи и повышение извлекаемости углеводородного сырья.

Дополнительный технический результат обеспечивается повышением коэффициента передачи по мощности сигнала возбуждения, скважинного акустического излучателя через трехжильный геофизический кабель.

Структура построения заявляемого устройства иллюстрируется на фиг.1, временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу, приведены на фиг.2.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит устройство 1 силового электропитания, ключевой усилитель 2 мощности, фазоимпульсный преобразователь 3, задающий генератор 4, согласующее устройство 5, геофизический кабель 6, акустический излучатель 7, а также вновь введенную цепь 8 параметрической обратной связи, формирователь 9 опорного напряжения и устройство 1 компенсации. Дополнительной особенностью реализации предлагаемого устройства является параллельное включение двух жил трехжильного геофизического кабеля 6.

Введение в состав известного устройства новых блоков и связей позволило в предлагаемом устройстве (фиг.1) обеспечить повышение мощности возбуждения и тем самым повысить результативность обработки продуктивной зоны скважины.

Формирователь 9 опорного напряжения обеспечивает формирование пилообразного сигнала U_п квазисинусоидального вида с амплитудой, пропорциональной напряжению, поступающему на вход формирователя 9 с токовой частотой, заданной импульсами U_т, поступающими на другой вход формирователя 9 (фиг.2).

В простейшем случае формирователь 9 может быть выполнен на RC-цепи, обеспечивающей экспоненциальное нарастание опорного напряжения, и ключевом элементе, обеспечивающем резкий спад до нуля опорного напряжения за время короткого тактового импульса.

Цепь 9 параметрической обратной связи предназначена для передачи на вход управления формирователя 9 управляющего напряжения, пропорционального напряжению электропитания КУМ 2. Цепь 9 может содержать резистивный делитель и звено гальванической развязки.

Устройство 10 компенсации предназначено для компенсации емкостной составляющей нагрузки АИ и выполняется на индуктивном элементе, включенном параллельно либо последовательно с выводами акустического излучателя 7.

Работа предложенной ТАС осуществляется следующим образом. Напряжение промышленной сети электропитания выпрямляется и фильтруется в устройстве 1 силового электропитания, на выходе которого формируется постоянное нестабилизированное напряжение Е. Номинального и максимальное значение которого составляет Е_н=520 В и Е_мах=630 В, напряжение Е поступает на шины электропитания КУМ2, на входы управления которого поступают импульсные сигналы с выходов фазоимпульсного преобразователя 3.

Формирование импульсных сигналов V_1ФИМ, V_2ФИМ осуществляется фазоимпульсным преобразователем 3 с рабочей частотой f, а временной сдвиг определяется длительностью широтно-модулированных импульсов V_ШИМ (фиг.2).

Рабочая частота f задается тактовыми импульсами U_T удвоенной частоты 2f от задающего генератора 4. Импульсные сигналы V_1ФИМ, V_2ФИМ усиливаются по мощности сигналами ключевого усилителя 2, выполненного, например, по мостовой схеме. В результате на выходе КУМ формируется разнополярное импульсное напряжение V_КУМ с амплитудой импульсов, равной напряжению питания Е, и длительностью импульсов t_и, заданной длительностью импульсов сигнала V_ШИМ.

Согласующее устройство обеспечивает подавление высокочастотных составляющих импульсного напряжения V_КУМ и выделяет первую гармонику, амплитуда которой определяется выражением

где Т=1/f - период рабочей частоты;

K_су - коэффициент передачи согласующего устройства.

Электрический сигнал с выхода согласующего устройства 5 через геофизический кабель 6 и устройство 10 компенсации поступает на входы акустического излучателя 7.

Акустический излучатель, выполненный из пьезоактивных материалов в виде соосно-расположенных цилиндрических преобразователей [7], преобразует энергию электрического сигнала в энергию электрических колебаний. Диаграмма направленности (ДН) акустических колебаний в осевой плоскости АИ составляет 5-15 градусов, что обеспечивает обработку продуктивной зоны скважины цилиндрической акустической волны, соосной активной части излучателя.

Акустическое воздействие на ближнюю зону выработки обеспечивает очистку перфорационных отверстий и восстановление фильтрационных свойств поровых сигналов коллектора, чем достигается улучшением притока нефти и газа из продуктивного пласта в зону выработки. Результативность акустической интенсификации газо- и нефтедобычи зависит в основном от мощности акустических колебаний и от полосы частот акустического воздействия.

В предлагаемой ТАС достигается максимально допустимый уровень акустической мощности, ограниченный линией передачи электрического сигнала при расширенном диапазоне рабочих частот колебаний, чем достигается повышение результативности акустической обработки продуктивной зоны скважины.

Во-первых, в заявленном техническом решении обеспечивается стабилизация номинального напряжения U_н на входе кабеля на предельно допустимом уровне U_доп, обеспечивающем надежную передачу сигнала через геофизический кабель, что в условиях электропитания от промышленной электросети обеспечивает повышение номинальной мощности до максимального значения:

В результате по равнению с устройством-прототипом обеспечивается повышение акустической мощности на величину К_u ²≈1,4.

Указанный эффект достигается обеспечением в предлагаемом устройстве параметрической зависимости длительности импульсов t_и сигнала V_шим от напряжения выпрямленной сети электропитания Е. Напряжение Е с выхода устройства 1 силового электропитания через цепь 8 параметрической обратной связи поступает на вход формирователя 8 опорного напряжения, где формируется кусочно-квазисинусоидальное напряжение

при t∈[t_к;t_к+Т/2] при U_п(t),

где К_п - коэффициент передачи цели в параметрической обратной связи.

В тактовые моменты t_k напряжение U_п уменьшается до нуля и далее осуществляется повторный цикл формирования опорного напряжения.

Импульсное напряжение сигнала V_шим формируется как результат сравнения напряжения U_п с заданным уровнем управляющего напряжения:

Для обеспечения номинального режима работы в диапазоне изменения напряжения электропитания E_min≤E≤E_max уровень U₀ задают равным

В результате из условия равенства U₀=U_п длительность импульса t_и сигнала V_шим определяется из выражения

Для приведенной зависимости t_и(Е) из (15) достигается стабилизация амплитуды выходного напряжения рабочей частоты (10) на выходе согласующего устройства 5 при изменении напряжения питания:

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается реализация режима максимальной входной мощности на входе кабеля (11) в условиях электропитания от промышленной электросети.

Задача достижения максимальной активной мощности на выходе кабеля в предлагаемом устройстве обеспечивается введением устройства 10 компенсации. Импеданс акустического излучателя 7, выполненного на пьезоактивных материалах, имеет выраженный емкостной характер при cosϕ_н=0,3-0,7. В этом случае компенсация реактивной составляющей нагрузки эффективно обеспечивается использованием индуктивного элемента компенсации L_k, включенного последовательно либо параллельно по выходу кабеля. Величина индуктивности L_k выбирается из условия обеспечения полной компенсации реактивной составляющей на центральной частоте f_p рабочего диапазона cosϕ_н(f_p)=1. При этом в диапазоне частот 0,7f_p<f<1,3f_p достигается значение cosϕ_н(f_p)≥0,7.

В результате введения устройства 10 компенсации активная мощность на выходе кабеля, поступающая в нагрузку, возрастает в 1,4 раза на центральной частоте рабочего диапазона и более чем в 2 раза на граничных частотах широкополосного сигнала:

где ϕ_к - фазовый сдвиг между током и напряжением по входу устройства 10 компенсации;

cosϕ_k=0,7-1,0 для 0,7f_p<f<1,3f_p,

k_p - коэффициент передачи мощности через кабель.

При выполнении условий стабилизации напряжения на входе кабеля на максимально допустимом уровне и компенсации реактивной составляющей импеданса нагрузки в предлагаемом устройстве предлагается использовать передачу сигнала возбуждения скважинного излучателя 7 через трехжильный кабель по линии "2ж-1ж" (две жилы-одна жила). В этом случае достигается повышение величины коэффициента передачи по мощности k_p на 20-25%, а также уменьшение входного сопротивления кабеля до

Z_{ВХ 2ж-1ж}=70-80 Ом.

В результате обеспечивается повышение мощности на выходе кабеля при заданном максимально допустимом напряжении U_доп=700 кВт до величины

Соответственно возрастает величина активной мощности на выходе кабеля

Для типовой длины кабеля 2-3 км, k_p(2ж-1ж)=0,4-0,5, значение P_R достигает Р_R=2-3 кВт, что обеспечивает повышение акустической мощности излучения до 1,5-2 кВт.

Таким образом, в заявленной ТАС совокупность введенных блоков и связей обеспечивает увеличение акустической мощности обработки продуктивной зоны скважины более чем в два раза по сравнению с известными устройствами с геофизическим кабелем при расширенном диапазоне рабочих частот, чем достигается значительное повышение результативности технологии акустической обработки. Так при использовании известных ТАС результативность применения не превышает 60-70% в случае специального подбора продуктивных пластов по проницаемости и пористости. Применение предлагаемой ТАС обеспечивает результативность обработки не менее 80%, в том числе при использовании технологии обработки для продуктивных пластов с пониженной проницаемостью и пористостью. Внедрение предлагаемой ТАС позволяет обеспечить увеличение дебита скважин более чем на 40% и восстановить малодебитные скважины.

Источники информации

1. Кузнецов О.Л., Ефимов С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. М.: Недра, 1980, 190 с.

2. Печков А.А., Шубин А.В. Результат работ по повышению продуктивности скважин методом акустического воздействия. Геоинформатика, 1998, №3, 16-23.

3. Боголюбов Б.Н. и др. Интенсификация добычи нефти низкочастотным акустическим воздействием // Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений. №9, 2000 г., с.80-85.

4. Патент России №2026969. Способ акустического воздействия на призабойную зону продуктивного пласта.

5. Патент России №2162519. Способ акустической обработки продуктивной зоны скважины и устройство для его реализации. Пр. 24.04.1999.

6. Патент России №2047280. Акустический излучатель. Опубликован в БИ №30 от 27.10.95.

7. Свидетельство на полезную модель №762. Акустический цилиндрический излучатель. Зарегистрировано 27.01.96.

Изобретение относится к нефтяной и газовой отраслям промышленности и может быть использовано для интенсификации газонефтедобычи при повышении извлекаемости углеводородного сырья. Техническим результатом изобретения является повышение результативности акустической обработки продуктивной зоны скважины посредством увеличения энергетической эффективности в расширенном диапазоне частот акустических колебаний при электропитании от напряжения примышленной сети. Для этого технологическая акустическая система для обработки продуктивной зоны скважины содержит задающий генератор и последовательно включенные фазоимпульсный преобразователь, ключевой усилитель мощности, согласующее устройство, геофизический кабель, а также акустический излучатель и устройство силового электропитания, вход которого подключен к шине силовой сети, а выход - к шине электропитания ключевого усилителя мощности. Дополнительно введены цепь параметрической обратной связи, формирователь опорного напряжения и устройство компенсации, включенное между выходом геофизического кабеля и выводами акустического излучателя. При этом вход цепи параметрической обратной связи соединен с выходом устройства силового электропитания, а выход подключен к входу управления формирователя опорного напряжения, включенного другим входом и выходом между выходом задающего генератора и входом фазоимпульсного преобразователя. Дополнительно повышение результативности акустической обработки продуктивной зоны скважины может быть достигнуто при использовании трехжильного кабеля посредством соединения двух жил параллельно по входу и выходу геофизического кабеля, чем обеспечивается увеличение мощности возбуждения скважинного акустического излучателя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Акустическая система для обработки продуктивной зоны скважины, содержащая задающий генератор и последовательно включенные фазоимпульсный преобразователь, ключевой усилитель мощности, согласующее устройство, геофизический кабель, а также акустический излучатель и устройство силового электропитания, вход которого подключен к шине силовой сети, а выход - к шине электропитания ключевого усилителя мощности, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно введены цепь параметрической обратной связи, формирователь опорного напряжения и устройство компенсации, включенное между выходом кабеля и выводами акустического излучателя, при этом вход цепи параметрической обратной связи соединен с выходом устройства силового электропитания, а выход подключен к входу управления формирователя опорного напряжения, включенного другим входом и выходом между выходом задающего генератора и входом фазоимпульсного преобразователя.2. Акустическая система по п.1, отличающаяся тем, что геофизический кабель содержит три жилы, две из которых соединены параллельно по входу и выходу геофизического кабеля.