УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ Российский патент 2009 года по МПК E21B43/16 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для создания волновых полей высокой интенсивности в пласте с целью повышения его продуктивности. Устройство предназначено для генерации колебаний давления в потоке жидкости в диапазоне частот 10³-10⁴ Гц, соответствующем уровню воздействия в масштабе структуры пласта.

Известно устройство для волновой обработки продуктивного пласта (а.с. 1727431, кл. Е21В 43/00, бюл. 29/96). Устройство включает корпус с центральным входным каналом для подачи агента воздействия под давлением. В выходной части канала размещено щелеобразное сопло. Перпендикулярно этому соплу выполнены управляющие каналы, соединенные с отводами обратной связи. Отводы расположены вдоль образующей корпуса. От щелевидного сопла отходят два рабочих канала, разделенные клиновидным центральным рассекателем. Выход одного рабочего канала сообщен с кольцевой цилиндрической камерой, заглушенной в корпусе, а выход другого рабочего канала через патрубок сообщен со струйным эжектором, установленным коаксиально в корпусе под клиновидным рассекателем.

Конструкция каналов обратной связи позволяет изменять их длину и объем с целью перестройки частоты возбуждаемых колебаний.

Недостатком рассмотренного устройства является то обстоятельство, что при использовании сжимаемой жидкости (например, воздуха, пара и т.п.) возникает непредвиденное изменение частоты при изменении физических условий в продуктивном пласте (например, при изменении давления в пласте в ходе технологического процесса). В результате снижается эффективность волнового воздействия на пласт: понижается интенсивность добычи и уменьшается нефтеотдача пласта.

Для поддержания необходимой частоты колебаний давления при изменении давления в продуктивном пласте необходимо корректировать длину и объем каналов системы обратной связи. Однако это влечет за собой прерывание технологического процесса для подъема, переборки устройства, замены каналов обратной связи и последующего его спуска на забой скважины, что приводит к дополнительным эксплуатационным затратам и потерям.

Известно устройство-генератор колебаний с вихревой обратной связью для создания пульсаций давления (патент США №4000757, НКИ 137-834). Генератор колебаний состоит из общего корпуса, в котором имеется расширяющийся входной канал, вниз по потоку от которого размещены "лепесткообразные" полости вихревой обратной связи. К этим полостям примыкают выходные каналы, направленные под острым углом к продольной оси устройства. При переключении основной струи в выходных каналах возбуждаются колебания давления в противофазе. Частота колебаний, определяемая вихревой обратной связью, зависит от интенсивности циркуляции потока в "лепесткообразных" полостях, которая, в свою очередь, определяется скоростью движения среды в расширяющемся входном канале. На частоту колебаний оказывают влияние также размеры полостей вихревой обратной связи.

Недостатком этого устройства является невозможность изменения частоты генерируемых колебаний без замены генератора. При этом необходимо также изменить размеры полостей вихревой обратной связи. Однако эта замена связана со значительными материальными затратами на изготовление многих комплектов генераторов. Попытка же регулирования частоты воздействия даже в ограниченных пределах за счет изменения давления на входе в это устройство связана с необходимостью разработки и создания системы специального регулирования, что также снизит экономический эффект использования волнового воздействия на пласт.

Другим недостатком устройства являются ограниченные возможности его применения, обусловленные отсутствием стабильности поддержания заданной частоты колебаний в потоке сжимаемого агента. В процессе эксплуатации на промысле возможно изменение величины давления в пласте. Вследствие этого меняется плотность и, соответственно, скорость дозвукового потока в расширяющемся входном канале, что влияет на интенсивность циркуляции потока в "лепесткообразных" полостях и на частоту колебаний давления на выходе устройства.

Известно также устройство с резонансными камерами, позволяющее возбуждать интенсивные колебания давления (Пресс Р.И., Плоткин Е.О. Импульсные устройства струйной техники. - Минск: Наука и техника. 1977.П.3.3.).

Это решение является наиболее близким к заявленному по технической сущности и поэтому выбрано в качестве прототипа. Устройство содержит корпус с крышками, с расположенным на его входе соплом, к плоскости выходного сечения которого примыкает пара идентичных резонансных камер. Последние симметрично расположены относительно продольной оси устройства, сообщаются между собой и разделены в нижней части по потоку рабочего агента клиновидным рассекателем, боковые поверхности которого совместно с внутренними стенками корпуса образуют выходные каналы.

При введении конструктивных изменений в указанном устройстве генерация колебаний давления может быть осуществлена на двух режимах работы:

1) режим возникновения колебаний вследствие краевого эффекта, обусловленного способностью струи усиливать действующие на нее вблизи среза сопла слабые колебания давления;

2) режим возникновения колебаний при установлении газодинамической обратной связи, обусловленной наличием резонансных камер.

Значение частоты колебаний давления при работе устройства в режиме с использованием краевого эффекта сильно зависит от величины скорости потока рабочего агента на выходе из сопла, т.е. является функцией значения скорости потока.

На втором режиме значение частоты колебаний давления определяется частотой собственных колебаний резонансных камер и достаточно стабильно при заданной резонансной частоте и выбранной геометрии проточного тракта.

Как было указано ранее, воздействие на пласт на структурном уровне соответствует частоте колебаний в диапазоне 10³-10⁴ Гц. Это означает, что в пределах одного и того же месторождения резонансная частота от скважины к скважине может существенно изменяться вследствие различия геологических характеристик (например, неоднородности пласта).

Если производить перестройку резонансной частоты колебаний в известном устройстве регулированием скорости потока рабочего агента на выходе из сопла, то устройство при уменьшении скорости неизбежно перейдет из режима "газодинамической обратной связи" в режим, обусловленный краевым эффектом. В этом случае из-за изменений условий в пласте (например, давления) стабильность выбранной частоты колебаний не обеспечивается.

При использовании же частоты, отличной от резонансной, эффективность волнового воздействия снижается.

Таким образом, для того чтобы перевести устройство на другую частоту колебаний давления, не выходя из режима "газодинамической обратной связи", необходимо сменить резонансные камеры и изменить геометрические параметры проточного тракта, включающего сопло, межкамерное пространство, клиновидный рассекатель и проточные выходные каналы с тем, чтобы настроиться на новую частоту колебаний.

Все это приведет к усложнению технологического процесса, его удорожанию и, в конечном итоге, к снижению эффективности использования волнового воздействия на пласт.

Кроме того, перестройка проточного тракта связана с усложнением конструкции устройства и увеличением длительности его переборки.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в том, чтобы не выходя из режима "газодинамической обратной связи" обеспечить как стабильность поддержания выбранной частоты колебаний давления при изменении условий в пласте (например, давления), так и упростить процесс регулирования частоты колебаний давления в потоке рабочего агента, сохранив геометрические параметры проточного тракта. Тем самым обеспечивается эффективность использования волнового воздействия на пласт и упрощается технологический процесс добычи нефти и, в итоге, повышается его экономическая эффективность.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном устройстве для волновой обработки продуктивных пластов, содержащем корпус с крышками и расположенное на его входе сопло, к плоскости выходного сечения которого примыкает пара идентичных резонансных камер, симметрично расположенных относительно продольной оси устройства, сообщающихся между собой и разделенных в нижней части по потоку рабочего агента клиновидным рассекателем, боковые поверхности которого совместно с внутренними стенками корпуса образуют проточные выходные каналы, для решения поставленной задачи установлен сменный вкладыш, закрепленный на внутренней поверхности одной из крышек корпуса устройства, причем пара идентичных резонансных камер образована основанием сменного вкладыша, внутренними поверхностями его боковых стенок и внутренней поверхностью другой крышки корпуса устройства, при этом передние кромки боковых стенок сменного вкладыша примыкают к плоскости выходного сечения сопла, задние кромки боковых стенок сменного вкладыша совпадают с кромками внутренних стенок корпуса устройства, а расстояние h от плоскости среза выходного сечения сопла до клиновидного рассекателя выбирают из условия

где V_min - минимальное значение скорости потока на срезе выходного сечения сопла;

f_max - частота генерируемых колебаний давления в потоке рабочего агента, совпадающая с наибольшей собственной частотой используемых резонансных камер.

Возможен вариант выполнения сменного вкладыша разъемным. При этом основание вкладыша будет крепиться к его боковым стенкам, например, винтами.

На фиг.1 приведена полученная нами экспериментально зависимость частоты колебаний давления в заявляемом устройстве от скорости потока рабочего агента-воздуха при различных парах резонансных камер, длины образующих каждой из пар (l₁, l₂, l₃) соответствуют частотам колебаний 1000, 2000 и 3000 Гц.

Из приведенной зависимости видно, что при скорости потока рабочего агента, равной или выше V_min, обеспечивается стабильность частоты колебаний давления в широком диапазоне скоростей (режим "газодинамической обратной связи") при различных значениях частоты собственных колебаний резонансных камер при одном и том же расстоянии h от плоскости среза выходного сечения сопла до клиновидного рассекателя.

Таким образом, для перехода на новую частоту колебаний давления требуется лишь установка другой пары резонансных камер без изменения геометрических параметров проточного тракта.

Это позволяет:

- обеспечить устойчивость (стабильность) генерации колебаний давления выбранной частоты при выполнении условия h=1/(f_max/0.466(V_min-0.4))+7;

- упростить процесс регулирования частоты колебаний давления за счет исключения потребности в изменении геометрических параметров проточного тракта и в итоге реализовать задачу, на решение которой направлено заявляемое изобретение.

На фиг.2 изображено устройство для волновой обработки продуктивных пластов.

На фиг.3 изображено поперечное сечение устройства.

На фиг.4 изображен сменный вкладыш пары резонансных камер.

Устройство, представленное на фиг.2, содержит корпус 1, включающий сопло 2, к плоскости выходного сечения которого примыкает пара симметрично расположенных идентичных резонансных камер 3 и 4, сообщающихся между собой и разделенных в нижней части по потоку клиновидным рассекателем 5, боковые поверхности 6 которого совместно с внутренними стенками 7 корпуса 1 образуют проточные выходные каналы 8 и 9, при этом внутренние стенки 7 имеют кромки 10 и 11. К корпусу 1 примыкают крышки 12 с внутренними поверхностями 13 (фиг.3).

При этом расстояние h от плоскости среза выходного сечения сопла 2 до клиновидного рассекателя 5 выбирают из условия

h=1/(f_max/0.466(V_min-0.4))+7,

где V_min - минимальное значение скорости потока на срезе выходного сечения сопла;

f_max - частота генерируемых колебаний давления в потоке рабочего агента, совпадающая с наибольшей частотой собственных колебаний используемых резонансных камер.

Это позволяет обеспечить устойчивость частоты генерируемых колебаний.

Сменный вкладыш пары резонансных камер, изображенный на фиг.4, содержит общее основание 14, передние боковые стенки 15 с кромками 16, задние боковые стенки 17 с кромками 18 и 19, при этом передние боковые стенки 15 и задние боковые стенки 17 образуют пару резонансных камер 3 и 4, сообщающихся между собой и расположенных на общем основании 14. Устройство для волновой обработки пластов устанавливают в забое скважины, стыкуя его через муфтовое соединение с насосно-компрессорной трубой (НКТ), по которой поступает рабочий агент.

Работает устройство следующим образом: рабочий агент, например пар, воздух, вода и т.п., под давлением подается в сопло 2, на выходе из которого формируется основная струя рабочего агента. При натекании ее на клиновидный рассекатель 5 она отклоняется в один из проточных выходных каналов, например, 8, образованный одной из боковых поверхностей 6 и одной из внутренних стенок 7 корпуса 1, а также крышками 12. При этом часть основной струи при своем движении по каналу 8 отклоняется кромкой 10 выходного канала 8 и кромкой 18 сменного вкладыша в прилегающую резонансную камеру 3. Возникающая при этом волна давления, распространяясь вдоль внутренних поверхностей стенок 17 и 15 резонансной камеры 3 и доходя до основной струи рабочего агента в плоскости выходного сечения сопла 2, воздействует на струю, в результате чего последняя отклоняется в проточный выходной канал 9, образованный другой боковой поверхностью 6 клиновидного рассекателя 5 и другой внутренней стенкой 7 корпуса 1, а также крышками 12. Часть основной струи отклоняется кромкой 11 выходного канала 9 и кромкой 19 сменного вкладыша в другую симметрично расположенную идентичную резонансную камеру 4. Возникающая волна давления, распространяясь вдоль внутренних поверхностей боковых стенок 17 и 15 резонансной камеры 4, доходя до основной струи рабочего агента в плоскости выходного сечения сопла 2, воздействует на струю. В результате этого воздействия основная струя рабочего агента отклоняется в проточный выходной канал 9. Далее процесс многократно повторяется, в результате чего на выходе устройства генерируются колебания давления с заданной резонансной частотой.

При необходимости перестройки устройства на другую частоту колебаний давления достаточно заменить резонансные камеры 3 и 4, не изменяя при этом геометрические параметры проточного тракта, включающего сопло 2, общее пространство камер 3 и 4, клиновидный рассекатель 5 и выходные каналы 8 и 9.

При работе со сменным вкладышем для изменения частоты колебаний давления исходный вариант сменного вкладыша пары резонансных камер 3 и 4 извлекают из корпуса 1 устройства и устанавливают новый сменный вкладыш с парой резонансных камер 3 и 4, имеющих новую частоту собственных колебаний, таким образом, чтобы для пары резонансных камер 3 и 4 кромки 16 передних боковых стенок 15 примыкали к плоскости выходного сечения сопла 2, кромки 18 и 19 задних боковых стенок 17 совпадали с кромками 10 и 11 внутренних стенок 7 корпуса 1 устройства, а верхняя плоскость общего основания 14 совпадала с внутренней плоскостью одной из крышек 12.

При этом расстояние h от плоскости среза выходного сечения сопла 2 до клиновидного рассекателя 5 не изменяется.

С заменой сменного вкладыша на новый устройство работает аналогично предыдущей сборке.

Таким образом, применение предложенного устройства позволяет повысить эффективность использования волнового воздействия на пласт, упростить технологию добычи нефти и повысить экономическую эффективность процесса нефтеизвлечения.

Для использования излучателя на конкретном нефтяном месторождении при его разработке задаются исходные данные, включающие: диапазон изменения массового расхода жидкости (рабочего агента), нагнетаемого в пласт; диапазон изменения частоты генерируемых колебаний давления в потоке жидкости f_min÷f_max; диапазон ожидаемого изменения давления в пласте (на выходе излучателя) р_пл.min÷р_пл.max.

На основе этих данных проводится расчет геометрических характеристик проточного тракта излучателя и определяются потери давления в устройстве.

По заданному минимальному значению массового расхода рабочего агента и выбранной (по известным методикам) площади проходного сечения плоского сопла определяется минимальное значение скорости жидкости на срезе его выходного сечения. При использовании сжимаемой жидкости плотность потока в выходном сечении сопла (используемая для определения скорости) находится с учетом величин давления в пласте и потерь давления по газодинамическому тракту устройства.

Далее, при граничном условии, соответствующем равенству частот генерируемых колебаний клинового тона (на основе краевого эффекта) и колебаний, обусловленных газодинамической обратной связью, с помощью формулы Брауна (Norton M.L. and Bidgood R.E. Investigating the edgetone amplifier // Fluid Power International. 1969. v.34. №402, р.47-50) определяется расстояние, на котором должен устанавливаться клиновидный рассекатель

h=1/(f/0.466(V-0.4)+7),

где V - скорость истечения струи рабочего агента в выходном сечении сопла;

h - расстояние от среза сопла до кромки клиновидного рассекателя.

Так, если V=140 м/с, f=2400 Гц, то расстояние составляет h=22,8 мм.

Установленное значение расстояния h обеспечивает при скоростях потока рабочего агента на срезе выходного сечения плоского сопла, соответствующих минимальной скорости V=140 м/с и выше, устойчивый режим работы устройства с газодинамической обратной связью при выбранной частоте генерируемых колебаний давления.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для создания волновых полей высокой интенсивности в пласте. Обеспечивает повышение стабильности выбранной частоты колебаний давления при изменении условий в пласте и упрощение процесса регулирования частоты колебаний давления в потоке рабочего агента. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с крышками и расположенное на его входе сопло. К плоскости выходного сечения сопла примыкает пара идентичных резонансных камер, симметрично расположенных относительно продольной оси устройства, сообщающихся между собой и разделенных в нижней части по потоку рабочего агента клиновидным рассекателем. Боковые поверхности этого рассекателя совместно с внутренними стенками корпуса образуют проточные выходные каналы. Устройство содержит сменный вкладыш, установленный -закрепленный на внутренней поверхности одной из крышек корпуса устройства. При этом пара идентичных резонансных камер образована основанием сменного вкладыша, внутренними поверхностями его боковых стенок и внутренней поверхностью другой крышки корпуса устройства. Передние кромки боковых стенок сменного вкладыша примыкают к плоскости выходного сечения сопла. Задние кромки боковых стенок сменного вкладыша совпадают с кромками внутренних стенок корпуса устройства, а расстояние от плоскости среза выходного сечения сопла до клиновидного рассекателя выбрано из аналитического выражения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для волновой обработки продуктивных пластов, содержащее корпус с крышками и расположенное на его входе сопло, к плоскости выходного сечения которого примыкает пара идентичных резонансных камер, симметрично расположенных относительно продольной оси устройства, сообщающихся между собой и разделенных в нижней части по потоку рабочего агента клиновидным рассекателем, боковые поверхности которого совместно с внутренними стенками корпуса образуют проточные выходные каналы, отличающееся тем, что оно содержит сменный вкладыш, установленный - закрепленный на внутренней поверхности одной из крышек корпуса устройства, причем пара идентичных резонансных камер образована основанием сменного вкладыша, внутренними поверхностями его боковых стенок и внутренней поверхностью другой крышки корпуса устройства, при этом передние кромки боковых стенок сменного вкладыша примыкают к плоскости выходного сечения сопла, задние кромки боковых стенок сменного вкладыша совпадают с кромками внутренних стенок корпуса устройства, а расстояние h от плоскости среза выходного сечения сопла до клиновидного рассекателя выбрано из условия
,
где V_min - минимальное значение скорости потока на срезе выходного сечения сопла;
f_max - частота генерированных колебаний давления в потоке рабочего агента, совпавшая с наибольшей собственной частотой использованных резонансных камер.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сменный вкладыш выполнен разъемным, причем основанием вкладыш закреплен к его боковым стенкам.