КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ Российский патент 2009 года по МПК E21B43/16 E21B28/00 B06B1/20 

Изобретение относится к области добычи нефти с коэффициентом нефтеотдачи 0,9-0,95 и более, вместо 0,5 для легких и 0,15 - вязких нефтей. /см. И.В.Элияшевский "Технология добычи нефти и газа", М.: "Недра", 1985 г., стр.122 /1/.

Известны методы добычи нефти путем закачки в пласт воды с добавкой поверхностно-активных веществ /ПАВ/, а также тепловые и смешивающимися с ней жидкостями и газами /см. 1, стр.165-168/, а также В.В.Алексеев "Экология и экономика энергетики", Физика, Знание, М., 6/90 г., стр.25-26 /2/.

Известно также ультразвуковое воздействие на нефтяной пласт, который испытывался в Астраханском регионе. К недостаткам первого метода добычи нефти относится то, что в недрах остается больше половины разведанных геологических запасов нефти, а при добыче вязких нефтей - до 85%.

Ультразвуковая обработка нефтяного пласта осуществляется с помощью инструмента, помещенного в скважину вместе с магнитострикционным преобразователем и электрическим генератором, а электроснабжение генератора выполнено кабелем, проходящим через обсадную трубу к источнику питания.

При работе ультразвукового инструмента вокруг скважины создается ультразвуковое поле, волны которого создают в горной породе с нефтью, периодически следующие друг за другом звуковые давления и деформацию среды. При большой интенсивности I>10 Вт/см² в жидкости возникают области с развитой кавитацией и акустическими течениями. Жидкость в этом поле начинает кипеть с резким падением сил трения как внутри жидкости, так и о стенки поровых каналов. При этом нефть в виде эмульсии жидкости в газах интенсивно поступает через отверстия в обсадную трубу.

Однако главным недостатком ультразвуковой технологии является то, что при высоких частотах происходит также интенсивное поглощение энергии ультразвуковых волн в нефтяном пласте, а зона воздействия на пласт не достигает и нескольких метров. В объеме залежи с нефтью дополнительный приток ее незначителен, а коэффициент нефтеотдачи практически остается на уровне равным 0,5. Вместе с тем ультразвуковая технология добычи нефти является наиболее близкой к заявляемой инфразвуковой технологии, т.е. аналогом-прототипом /см. Б.А.Артамонов "Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов", т.1, М.: "Высшая школа", 1983 г., стр.174-186 /3/.

Целью изобретения является осуществление генерации в нефтяном пласте инфразвуковых волн с высокой интенсивностью, образованием кавитации и акустических течений и полным вытеснением нефти из поровых каналов залежи.

Поставленная цель достигается в изобретении за счет того, что он снабжен волновым детонационным или волновым электрическим компрессором на нагнетательных скважинах и скважинах-волноводах, с цилиндрами и рубашками охлаждения, равномерно размещенными по окружности, с одной стороны переходящими в сопло-концентратор ударных волн и энергии расширяющихся продуктов детонационных или электрических взрывов, переходящие в импульсы давления и упругие волны в нефтяном пласте, а с другой - в крышках размещены впускные клапаны сжатого воздуха с пружинами и ограничителями, цилиндры снабжены комбинированными форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыскивания смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, и смежно расположенными к ним форсунками-детонаторами для впрыскивания струй электропроводной жидкости, при этом комбинированные форсунки снабжены топливными форсунками или форсунками для впрыскивания воды и патрубками, внутри которых установлены шнеки, электродами, размещенными в цилиндрических каналах, выполненных из электроизоляционного материала, сообщающиеся с соплами, направленными под углом друг к другу, при этом сопло компрессора снабжено форсункой для впрыскивания воды.

Кроме того, поставленная цель в изобретении достигается за счет того, что комбинированные форсунки снабжены взрывными камерами. Поставленная цель в изобретении достигается еще и за счет того, что обсадные трубы нагнетательных скважин снабжены соплами-концентраторами импульсов давления в парогазовой смеси или воде в упругие волны в нефтяном пласте, при этом сопло волнового компрессора направлено по оси возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре и расположено с заданным зазором от его торца в слое воды емкости. Кроме того, поставленная цель в изобретении достигается за счет того, что форсунки-детонаторы с размещенными в них цилиндрическими каналами, выполненными из электроизоляционного материала, с одной стороны содержат электроды, а с другой - сопла, направленные под углом друг к другу, для впрыскивания струй электропроводной жидкости.

Поставленная цель в изобретении достигается еще и за счет того, что комплекс дополнительно является источником парогазовой смеси с избыточным давлением, подключенным к газовой турбине электростанции с воздушным компрессором и электрогенератором. Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта - осуществления генерации в нефтяном пласте инфразвуковых волн с высокой интенсивностью, образованию кавитации и акустических течений и полным вытеснением нефти из поровых каналов залежи.

Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения - "изобретательский уровень".

Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели. Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения - "промышленная применимость".

Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 показан продольный разрез по комплексу, на котором приведены нагнетательная скважина с волновым компрессором, скважина-волновод с компрессором и добывающая скважина;

на фиг.2 показана комбинированная форсунка в поперечном разрезе;

на фиг.3 показана форсунка-детонатор в поперечном разрезе;

на фиг.4 приведен поперечный разрез по нагнетательной скважине с емкостью с водой /паровым котлом/ и установленным на ней волновым детонационном компрессором;

на фиг.5 приведен в поперечном сечении узел «Q»;

на фиг.6 приведен в поперечном сечении узел «N»;

на фиг.7 приведен план расположения скважин на залеже с нефтью;

на фиг.8 показан поперечный разрез по цилиндру волнового компрессора;

на фиг.9 приведен разрез по 1-1, а на фиг.10 показан разрез по 2-2 - поперечный разрез по волновому детонационному компрессору или электрическому.

Комплекс для добычи нефти состоит:

из нагнетательных скважин с обсадными трубами 1, размещенных в обсадных трубах 2, скважин-волноводов с обсадными трубами 3 и добывающих скважин 4. Сверху на нагнетательных скважинах укреплены волновые детонационные или волновые электрические компрессоры 5 с патрубками для подачи сжатого воздуха 6 и подачи под давлением воды 7. На поверхности установлена силовая установка 8 с поршневым/и/ компрессором 9 и электрогенератором 10.

Скважины-волноводы снабжены также волновыми компрессорами 11 с патрубками 12 и 13 для нагнетания сжатого воздуха и подачи воды под давлением - 14, 15. Добывающая скважина 4.

На фиг.4 показано размещение на залеже с нефтью перечисленных выше скважин. При этом в отличии от известного способа нагнетания в залежь воды с ПАВ /или без него/, нагнетательные скважины располагают по контуру нефтености и внутри него.

Добыча нефти осуществляется по двум вариантам.

1-ый вариант.

Волновые детонационные компрессоры 5 и 11 работают с применением сжатого воздуха большего /высокого/ давления от поршневых компрессоров 9, с нагнетанием в обсадную трубу 1 парогазовой смеси, которая поступает в нефтяной пласт через сопла 16 /см. фиг.6/. Сопла 16 - концентраторы ударных волн в обсадных трубах 1 размещаются или по всей наружной поверхности трубы и на всю высоту нефтяного пласта, поз.17, или только на части этой поверхности - поз.1. Нефтяной пласт 18.

Волновые детонационные компрессоры 5 и 19 /см. фиг.4/ одинаковы по конструкции и отличаются друг от друга, при установке их или на обсадную трубу 1, или на емкость 20 только соплами 21 и 22, а также тем, что первый работает при высоком давлении сжатого воздуха, а второй - при давлениях 5-6 и до 25 кг/см², с подачей сжатого воздуха от центробежного или осевого компрессора.

Волновые компрессоры состоят из цилиндров 23 /фиг.4 и 10/, равномерно размещенных по окружности с крышками 24 и соплами 21, 22.

На фиг.8 показан один цилиндр 23 компрессоров с крышкой 24, в которой размещен клапан 25 с пружиной 26 и ограничителем 27.

Цилиндры и крышки выполняются с рубашками 28 и 29 и каналами для циркуляции охлаждающей жидкости.

В цилиндре с одной стороны установлены комбинированные форсунки 30, а с другой - форсунки-детонаторы 31. Каждая из пары этих форсунок размещена в зонах сгорания 32, 33, 34, 35. Каждый цилиндр содержит сопло 36 - концентратор ударных волн и общий фланец 37, с помощью которого волновые компрессоры соединены с соплами 21 и 22.

Комбинированная форсунка. Показана на фиг.2. Она состоит: из корпуса 38, в котором размещен второй корпус 39 из электроизоляционного материала. В нем расположены каналы 40 /размещенные друг от друга на равном расстоянии/.

Каналы 40 с одной стороны имеют сопла 41, а с другой - электроды 42. Электроды соединены с генератором электрических импульсов, принципиальная схема которого включает: источник постоянного тока 43, конденсатор 44 и разрядник 45. Сопла 41 наклонены /расположены/ под углом друг к другу, с помощью которых во взрывную камеру 46 с соплом 47 впрыскиваются струи 48 электропроводной жидкости, пересекающиеся в зоне 49 с образованием электрического контакта. В центре расположена дополнительная форсунка 50 для впрыскивания топлива /или воды/ в виде струй 51. Форсунка имеет фланец 52 для крепления ее на цилиндре 23 и патрубки 53 со шнеками 54.

Форсунка-детонатор. Показана на фиг.3.

Она состоит из наружного корпуса 55 с патрубками 56 и фланцем 57. Внутри него размещен второй корпус 58, выполненный из электроизоляционного материала, в котором размещены каналы 59, с одной стороны имеющие сопла 60, выполненные под углом друг к другу, а с другой - размещены электроды 61, подключенные к генератору электрических импульсов /ГИ/, принципиальная схема которого включает источник постоянного тока 62, конденсатор 63 и разрядник 64. Внутри патрубков 56 установлены шнеки 54, разделенные от металлического патрубка 56 слоем электроизоляции, из которой выполнен корпус 58. Струи электропроводной жидкости 65, зона их контакта 66.

Добыча нефти с высоким коэффициентом нефтеотдачи осуществляется следующим образом:

из системы подачи под давлением, например, жидкого топлива и системы подачи электропроводной жидкости /не показанные на чертеже/ топливо и жидкость поступают в форсунки 30 цилиндров 23 и через патрубки 53 в каналы 40. Опережая подачу топлива, электропроводная жидкость в виде струй 48 вытекает во взрывную камеру 46, которые сталкиваются в зоне контакта 49 и замыкают разрядный контур генератора электрических импульсов /ГИ/. Разрядный ток из конденсатора 44 через электроды 42, электропроводную жидкость в каналах 40, струи 48 нагревает последние, которые мгновенно испаряются и при температуре электрического взрыва струй, превышающей Т>2500°С, диссоциируют с образованием продуктов термического разложения, в виде газообразных водорода, кислорода и осколков электролита. В качестве электропроводных жидкостей используются водные растворы сильных электролитов на основе кислот, оснований и солей, или их смеси. Концентрация растворов подбирается экспериментальным путем. Однако для регулирования проводимости /электропроводности/ растворов и их резкого, на несколько порядков повышения этого показателя, в раствор вводятся порошки металлов: железа, меди, алюминия и пр.

Физика процесса повышения электропроводности состоит в том, что струи 48, несущие частицы металла, становятся неоднородными. Между взвешенными в жидкости порошинками образуются перемычки из раствора с малой удельной электропроводностью, тогда как порошинки металла имеют значительно более высокую уд. электропроводность. Регулируя концентрацию порошка в растворе, добиваемся того или иного значения электропроводности струй 48.

Размеры частиц порошка -до 30-40 мкм /желательно до 5-10 мкм/, взвесь которых в воде концентрированного раствора электролита не расслаивается в течение длительного времени /см. Г.А.Либенсон "Основы порошковой металлургии, М.: Металлургия, 1987 г., стр.164 /4/, а также Б.А.Артамонов "Размерная электрическая обработка металлов", М.: Высшая школа, 1978 г., стр.213-231 /5/, Г.Мучник "Новые методы преобразования энергии", Техника, Знание, 1984/4, стр.47-48 /6/ и источник 7, стр.100-103, "Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов, т.2, М.: Высшая школа, Б.А.Артамонов/. За счет высокой температуры электрического взрыва струи 48 струи топлива 51 мгновенно испаряются, с термическим разложением их на более мелкие молекулы, и под давлением /за счет испарения струи 48 и 51/ выходят из сопла 47 в первую зону сгорания - 32 цилиндров 23 волнового детонационного компрессора 5 /см. фиг.1/, вместе с продуктами диссоциации /разложения/ струй 48 электропроводной жидкости. Иными словами, из сопел 47 форсунок 30 в зоны сгорания цилиндров выходят струи газообразного топлива /здесь продукты диссоциации водного раствора сильного электролита в виде струй 48 также являются прекрасным топливом/. В качестве топлива используется нефть разрабатываемого месторождения. Смешиваясь с воздухом в зоне 32, образуется рабочая смесь, которая воспламеняется за счет сжатия ее ударной волной, при включении форсунок-детонаторов 31 в первой зоне сгорания.

Расчеты показывают, что при скорости ударной волны около 1700 м/с в рабочей смеси температура достигает примерно 1700 К. Такие температуры значительно превосходят температуру воспламенения взрывчатых газовых смесей, какой является образовавшееся в зоне сгорания рабочая смесь. /см. С.С.Бартенев "Детонационные покрытия в машиностроении", "Машиностроение", Л., 1982 г., стр.26 /8/.

Работает форсунка-детонатор следующим образом:

Электропроводная жидкость насосом /не показанным на чертеже/ подается через патрубки 56, обтекая шнек 64 в каналы 59, и через сопла 60 выходит в виде струй 65 в зону контакта 66. При этом замыкается цепь разрядного контура генератора электрических импульсов /ГИ/. Разрядный ток мощностью Р=I²·R_экв /см. 7, стр.94-95/ от конденсатора 63 ГИ через электроды 61, столб электропроводной жидкости в каналах 59 и струи 65, мгновенно нагревает струи, которые мгновенно испаряются и диссоциируют на водород, кислород и осколки электролита с образованием ударной волны. При большом эквивалентном сопротивлении R_экв разряд апериодический, а при малом сопротивлении // - затухающий периодический с периодом Т. Последний вид разряда обеспечивает наиболее быстрое нарастание силы тока I, а также мгновенной мощности Р=I²·R_экв в струях 85. Сложные молекулы нефти при термическом разложении струй 51 в комбинированной форсунке 30, при электрическом взрыве струй 48, разлетаются на более мелкие в виде продуктов высокотемпературного пиролиза, с образованием высокооктанового бензина, лигроина, керосина, солярки, битума, масел, парафина и пр.

При этом рабочая смесь воздуха и продуктов термического разложения нефти /тоже происходит и при термическом разложении угля - вообще всех видов и разновидностей твердых порошкообразных углеводородов взвешенных в струях 51 или 48/ реагирует с огромными скоростями без задержки воспламенения со скоростью 2000-3500 м/с и более. Формируется детонационная волна, которая является комбинацией ударной волны и зоны химической реакции с протеканием детонационного сгорания рабочей смеси, в зоне 32. Образовавшаяся ударная волна распространяется в стороны сопла 36 и крышки 24, от которой она отражается, догоняет первую ударную волну в сопле 36 и усиливает ее /за счет высокой температуры газовоздушной среды в цилиндрах 23/. Вместе с тем продукты детонационного сгорания также расширяются в обе стороны, сжимают воздух в зонах 33-35 цилиндров 23 и соплах 36.

При этом последовательно друг за другом включаются форсунки 30 в зонах 33-35 и форсунки-детонаторы 31, с образованием мощного детонационного взрыва рабочей смеси и мощной ударной волны. Частота рабочих циклов /всех взрывов в зонах 32-35-один рабочий цикл/ поддерживается на уровне частоты инфразвука /0,001-16 Гц/ для генерации с такой же частотой упругих волн 67 в нефтяном пласте 18.

Работа волнового детонационного компрессора 5 на обсадной трубе 1 нагнетательной скважины приводит к ее заполнению продуктами сгорания и паров воды, которая через форсунку 7 под давлением подается в сопло 21, где она смешивается с нагретыми газами, испаряется и поступает в трубу 1.

По мере роста давления парогазовой смеси в обсадной трубе 1 она начинает поступать в нефтяной пласт 18 через сопла 16, которые выполнены в утолщенной части трубы 1. Вместе с нагнетанием в пласт парогазовой смеси, которая хорошо вытесняет нефть /см. 1, стр.168/, в пласте с нефтью за счет импульсного высокого давления парогазовой смеси в обсадной трубе 1, генерируются упругие волны большой интенсивности - больше 10 Вт/см² /см. 3, стр.181/.

Причем с глубиной интенсивность должна повышаться. Поэтому на глубине нефтяного пласта, например, 2000-6500 метров интенсивность увеличивается в 200-650 раз. При интенсивности I >0,1-0,3 Вт/см² и атмосферном давлении в жидкой среде образуются ряд эффектов, главными из которых являются кавитация и акустические течения /см. 3, стр.185-186/.

Жидкость-нефть начинает кипеть в поровых каналах нефтяного пласта 18, с резким снижением сил трения как внутри жидкости, так и о стенки поровых каналов. Эти силы зависят от вязкости нефти, а также от проницаемости породы. /см. 1, стр.119/. Кавитация в нефти разрушает также капиллярные силы, проявляющиеся на границе нефти и воды, а акустические течения в пограничном вязком слое на границе твердое тело - жидкость разрушают связи прилипания, вычищая поровые каналы от нефти. /см. 3, стр.186/.

Высокие давления детонационного сгорания в компрессоре 5, через столб парогазовой смеси в обсадной трубе 1 и сопла 16, создают ударное воздействие на нефтяной пласт, с распространением в нем упругих волн 67 большой интенсивности, превышающей I=0,1-0,3/×200-650/=25-60/ и до 60-200 Вт/см², при которых нефть кипит в поровых каналах залежи на всем протяжении от нагнетательных скважин 1 до добывающих 4. Одновременно нефть вытесняется из поровых каналов давлением парогазовой смеси.

Из физики известно, что только низкие акустические частоты способны переносить на большие расстояния энергию с высокой интенсивностью и в этом состоит коренное отличие упругих волн с низкой частотой от упругих волн с высокой частотой - ультразвуковой - f>20000 Гц. Например, поглощение энергии инфразвука при частоте f=0,1 Гц составляет менее 2×10^-9 дБ/км, а при частоте f₁=1000 Гц достигает только 6 дБ/км /см. Е.Е.Новогрудский и др. "Инфразвук: враг или друг", "Машиностроение", стр.3-65 /9/.

В нашем примере частота инфразвука поддерживается на уровне f=10-16 Гц и может быть как меньше, так и больше.

Поэтому при работе компрессора 5 упругие волны пронизывают нефтяной пласт не только до первой добывающей скважины, но и распространяются дальше, на большое расстояние. Распространение инфразвука большой интенсивности в нефтяном пласте зависит от мощности волнового детонационного компрессора 5, который в настоящее время может достигать огромных значений. Она изменяется в зависимости от размеров волнового детонационного компрессора 5, мощности силовой установки 8, компрессора 9 и электрогенератора 10, а также от энергетических характеристик применяемого топлива и окислителей.

Например, с применением углеводородных топлив и окислителей современных межпланетных ракет, типа - кислорода, озона, хлора, фтора, мощность волновых детонационных компрессоров может достигать более миллиона киловатт /см. "Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей" под редакцией проф. В.М.Кудрявцева, М.: Высшая школа, 1983 г., стр.112 /10/.

Итак. После первого рабочего цикла в волновом компрессоре парогазовая смесь, поступившая в обсадную трубу 1, за счет расширения начинает заполнять цилиндры 23 компрессора 5, однако за счет более высокого давления сжатого воздуха, поступающего по патрубку 6, парогазовая смесь снова вытесняется из цилиндров в обсадную трубу 1, а цилиндры вновь заполняются свежим зарядом воздуха. Включаются комбинированные форсунки 30 и форсунки-детонаторы 31 и рабочие циклы с частотой 10-16 Гц осуществляются в течение всего времени. В этом компрессоре источником сжатого воздуха являются поршневые компрессоры, при конечных давлениях выше 100 кг/см² и всасываемых объемах не выше 400 м³/мин /см. К.И.Страхович "Компрессорные машины", М.: 1961 г., стр.6-7 /11/.

Работа поршневого компрессора и электрогенератора осуществляется от силовой установки 8, которая может быть как установка, работающая на местном топливе-нефти или продуктах ее перегонки в виде дизельного ДВС большой мощности - 10000 кВт и более, или газотурбинной установки - ГТУ.

Однако для снижения расхода топлива на ДВС или ГТУ последняя может работать на парогазовой смеси, нагнетаемой компрессором 5 в трубу 1. Этот второй вариант ГТУ срабатывает часть парогазовой смеси, которая поступает в ГТУ из патрубка 68 в трубе 1 и обратный клапан 69. /клапан 25 компрессора закрывается под давлением продуктов детонационного сгорания в цилиндрах 23, и открывается вновь под давлением сжатого воздуха, поступающего от поршневого компрессора 9 по патрубку 6/.

Использование парогазовой смеси компрессора 5 позволяет существенно снизить расход топлива, примерно в два раза, по сравнению с ГТУ или ДВС, работающих только на местном топливе.

Рассмотрим более подробно рабочий цикл волнового детонационного компрессора 5 с цилиндрами 23.

Итак, детонационное сгорание рабочей смеси в первой зоне сгорания 32 приводит к сжатию, по типу работы волновых машин /см. "Основы газовой динамики", под редакцией Эммонс, перевод с английского/, сжатого воздуха во второй зоне 33. Детонационный взрыв в этой зоне 33 обеспечивает сжатие воздуха - дополнительное сжатие в зонах 34, 35, а последующие взрывы рабочей смеси в зонах 34, далее в зоне 35, создают в цилиндрах 23 последовательное повышение давления уже ранее сжатого воздуха в компрессоре 9.

Происходит рост степени сжатия ε по зонам сгорания: зона 32 - давление сгорания

Р₁, зона 33 - давление сгорания P₂, и так последовательно оно повышается до Р₄ в зоне 35.

Иными словами, в цилиндрах по их высоте происходит лавинообразное повышение степени сжатия ε и давления детонационного сгорания рабочей смеси. КПД преобразования энергии при сжигании углеводородного топлива растет от зоны к зоне и достигает максимума в зоне 35.

Согласно уравнению КПД , где к=1,33 /см. В.В.Сушков "Техническая термодинамика", Госэнергоиздат, М.Л., 1960 г., стр.178 /12/.

Высокий средний КПД преобразования энергии в цилиндрах волнового детонационного компрессора, с последовательным расположением в нем комбинированных форсунок и форсунок-детонаторов - это первый вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды при добыче нефти. Детонационное сгорание рабочей смеси обеспечивает увеличение тепловыделения при сгорании на 10-12% и рост КПД, который становится равным . Это второй вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи. Образование во взрывных камерах 46 комбинированных форсунок 30 продуктов термического разложения жидкого или твердого топлива, совместно с продуктами диссоциации водных растворов сильных электролитов /или жидких металлов - натрий, калий, их сплав, олово, кадмий, свинец, алюминий и пр./, обеспечивает "впрыск" в зоны сгорания цилиндров 23 компрессора 5 газообразного топлива, со всеми преимуществами газовых двигателей перед дизельными или бензиновыми /переход к терминологии двигателей не нарушает связи в процессах сгорания в цилиндрах 23 или камерах сгорания двигателя/. Газообразное топливо имеет более широкие пределы воспламеняемости рабочей смеси, в связи с чем можно работать на обедненных рабочих смесях, чему в еще большей степени способствует способ воспламенения - не слабой искрой, как в ДВС, а ударной волной генерируемой форсункой 31 /по фиг.3/. За счет использования обедненных смесей и воспламенения ее ударными волнами, расход топлива снижается на 20% /см. В.П.Алексеев "Двигатели внутреннего сгорания", Машгиз, М., 1960 г., стр.176-177 /13/. Это третий вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи.

КПД процесса повышается

Коэффициент полезного действия еще больше повысится при применении генераторов электрических импульсов с к.п.д. 95-97% и к.п.д. преобразования энергии электрического разряда в тепловую, при взрыве электрическом струй 48 и 65 в комбинированных форсунках и форсунках-детонаторах 30, 31 до 97% и более. Это происходит за счет того, что коэффициент преобразования энергии водного раствора при электрических взрывах струй 48, 65 в цилиндрах 23 становится равным удвоенной энергии диссоциации водного раствора сильного электролита. Т.е. в этом процессе начинает работать вода раствора и осколки электролитов в процессе их химического соединения при расширении и понижении температуры в цилиндрах 23.

Это четвертый вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи.

На этом процессе основана работа волновых электрических компрессоров, которые рассмотрим ниже.

Поршневой компрессор 9. Если заменить в нем коленчатый вал на новый по патенту №2154738, усовершенствованный по патенту №2298106, представляющий собой полноопорную конструкцию с раздвижными кривошипами, стянутыми пружинами и анкерными болтами, то энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха, снижается и 1,5-2 раза, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Снижение расхода энергии турбины ГТУ или ДВС обеспечивается за счет использования с помощью нового коленчатого вала силинерции от возвратно-поступательно движущихся масс поршней и шатунов.

Это пятый вклад в снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи.

Для достижения коэффициента нефтеотдачи, превышающего 0,9, между нагнетательными и добывающими скважинами размещаются скважины-волноводы с обсадными трубами 3. На них устанавливаются точно такие же волновые детонационные компрессоры 11 с патрубками 12, 13 для подачи сжатого воздуха от поршневых компрессоров с ГТУ или ДВС, описанных выше. Подача воды для образования парогазовой смеси производится по патрубкам 14, 15.

Продукты сгорания вместе с парами воды из волновых компрессоров 11 поступают в обсадные трубы 3. Вместе с ними по трубам 3 распространяются усиленные ударные волны, которые через открытые концы труб 3 воздействуют на горную породу с образованием упругих волн 70 частотой также 10-16 Гц. Ударные волны, распространяясь в горной породе, переходят в мощные акустические волны инфразвукового диапазона, которые пронизывают нефтяной пласт с образованием в нем кавитации и акустических течений. Одновременно горные породы и нефтяной пласт в зоне действия инфразвукового поля нагреваются, что также положительно влияет на нефтеотдачу пласта. На повышение коэффициента нефтеотдачи пласта влияет также проникновение парогазовой смеси в пласт, что зависит от проницаемости горных пород и глубины расположения скважины-волновода. Задача сложная, однако на нее есть ответ. Поможет нам в этом деле открытие Харьковских физиков /см. В.Чаховский "Хранить теплоту", Техника, Знание, 1990/4, стр.54-56 /14/.

В цилиндрах компрессоров 11, также как и в компрессоре 5, комбинированные форсунки 30 и форсунки-детонаторы 31 размещены последовательно друг за другом. При этом сгорание рабочих смесей по зонам 32-35 также осуществляется последовательно друг за другом. Выше уже отмечалось, что такое сгорание приводит к образованию ударных волн с нарастающей энергией каждой из волн в зонах его сгорания и усиление первой ударной волны, генерируемой в зонах 32 до такой степени, что она пройдет на большие расстояния, без существенных потерь энергии /ударные и упругие акустические инфразвуковые волны, получаемые и обсадной трубе 3 и горных породах за счет трансформации ударных в инфразвуковые, все время подпитываются новой энергией от догоняющих их акустических волн в трубах 3 и горной породе/ с малым углом расходимости. Иными словами, генерация акустических волн с помощью волновых детонационных компрессоров 5 и 11 приводит к образованию волн на всем протяжении их действия с большой интенсивностью и малым углом расходимости звукового луча в горной породе /подобные установки можно использовать в качестве оружия и технологического инструмента в мирных целях - в данном примере, при добыче нефти/. Итак, упругие волны с большой интенсивностью - I до 160-200 Вт/см² пронизывают горные породы и нефтяной/ые/ пласт/ы/, с образованием в нефти кавитации и акустических течений. При этом резкое снижение вязкости нефти приводит к высокой жидкотекучести ее в поровых каналах пласта/ов/, образованию в ней пузырьков с нефтяным газом, очищению поровых каналов от прилипшей нефти и вытеснению ее в нагнетательные скважины 4. Нефть полностью вытесняется из поровых каналов пласта/ов/ за счет резкого падения сил трения как внутри нее, так и о стенки поровых каналов, давления пузырьков с нефтяным газом и пластовой энергии.

Глубина скважин-волноводов зависит от мощности волновых детонационных компрессоров 11, диаметра скважин, проницаемости для звука горных пород, что связано с пористостью этих пород и, в зависимости от мощности компрессоров и количества скважин-волноводов, устанавливается опытным путем.

Например, при глубине залежи с нефтью до 2-х километров и высокой проницаемости акустических волн глубина скважин-волноводов может изменяться в интервале 50-100 м и более и диаметре до 400 мм. С увеличением глубины залегания нефтяных пластов изменяется и глубина скважин-волноводов. Волновые компрессоры 11, также как и волновые компрессоры 5, имеют собственные силовые установки /не показанные на чертеже/.

Предлагаемая технология добычи нефти позволяет вернуться к старым нефтеносным залежам и добыть из них вторую половину геологических запасов нефти. Таким образом открываются вторичные ресурсы по нефтедобыче, причем в давно обжитых районах страны. При разработке небольших локальных месторождений нефти предлагаемая технология позволяет осуществлять подземный пиролиз ее, непосредственно в залеже, для чего диаметр обсадных труб 2 должен быть больше диаметра обсадных труб 1, на величину кольцевого зазора между ними, для прохода продуктов пиролиза на поверхность. Температура пиролиза нефти 700-900°С.

Второй вариант.

В целях увеличения преобразования энергии парогазовой смеси в упругие колебания в нефтяном пласте силовая установка 8 переводится на местное топливо - нефть и продукты ее перегонки, вместо использования парогазовой смеси через патрубок 68 и обратный клапан 69, а в обсадную трубу 1 от насоса 72 через патрубок 73 закачивается горячая вода из системы охлаждения компрессора 5. Отработанные продукты сгорания из цилиндров отводятся через обратный клапан 71, который установлен в сопле 36 и имеет пружину 74 и ограничитель 75. Отработанные газы могут выбрасываться в атмосферу, а с целью повышения КПД и перевода силовой установки на продукты сгорания - они поступают на турбину ГТУ силовой установки 8. Горячая вода под импульсным давлением парогазовой смеси через сопла 16 поступает в нефтяной пласт 18, создает в нем упругие волны 67 и вытесняет нефть в добывающие скважины 4. Подача воды через патрубок 7 в этом случае не применяется.

В другом варианте нагнетательная скважина содержит цилиндр 76, поршень 77, ограничитель 78, патрубок для подачи воды 79 с обратным клапаном 80, волновой детонационный компрессор 19 с соплом 22, емкость 20, экран 81 с отверстиями, патрубок 82 для нагнетания в емкость воды и патрубок 83 для отвода парогазовой смеси на турбину силовой установки 8.

Емкость 20 опирается через стойки 84 на фундамент 85. Цилиндр 76 имеет патрубок 86 для подачи воды и охлаждения этого цилиндра. Как выше написано, компрессоры 5 и 19 одинаковы по конструкции, однако в этом варианте компрессор 19 работает от сети сжатого воздуха с низким давлением Р=5-6 и до 25 кг/см², т.е. от осевого или центробежного компрессоров.

За счет этого увеличивается мощность компрессора 19 в 20-30 раз, по сравнению с компрессором 5 и 11. Поэтому на крупных месторождениях нефти поршневые компрессоры 11 заменяются на компрессоры 19 с обсадными трубами 3 большего диаметра - 400-500 мм, которые заполняются горячей водой из системы охлаждения компрессора.

С ростом мощности компрессоров 19 уменьшается длина /глубина/ обсадных труб 3 скважин-волноводов и снижается стоимость добитой нефти.

Работает комплекс в этом варианте следующим образом:

продукты сгорания из сопла 22 с частотой 10-16 Гц через слой воды 87 воздействуют на днище поршня 77, который приводится в движение и сжимает столб воды в обсадной трубе 1. Вода под давлением "выстреливается" через сопла 16 в нефтяной пласт, сжимает его с возникновением упругих волн 67. При этом происходит нагнетание воды в пласт и вытеснение из него нефти, генерация упругих волн 67 с образованием в нефти, заключенной в порах горной породы /с пористостью до 40%/, кавитации и акустических течений. Нефть "кипит" с резким падением сил трения в ней и о стенки поровых каналов и вытесняется в добывающие скважины 4. Одновременно продукты сгорания нагревают воду в емкости 20 /паровом котле/, которая испаряется и в виде парогазовой смеси поступает на турбину силовой установки /не показанную на чертеже для этого варианта/. Газотурбинная установка /ГТУ/ приводит же вращение осевой компрессор и электрогенератор.

Охлаждение поршня 77 достигается за счет его размещения в воде емкости 20, охлаждения цилиндра 76 через патрубок 86. Экран 81 с отверстиями предохраняет попадание на турбину брызг воды. Ограничитель 78, прикрепленный к цилиндру 76, обеспечивает заданный ход поршня 77. При движении поршня и цилиндре под действием ударных волн с частотой 10-16 Гц столб воды в обсадной трубе 1 сжимается в виде мощной пружины. Например, при давлении сжатия Р=10000 кг/см², вода сжимается на 20% /см. В.А.Друянов "Сверхъявления в технике", Знание. Техника, 4/1976 г. /15/, с осуществлением мощного воздействия струй, через сопла 16 на нефтяной пласт. При этом за счет высокой плотности воды, превышающей воздух в 800 раз, происходит не мягкое, как при парогазовой смеси в первом варианте, а ударное воздействие на пласт, в связи с малой сжимаемостью воды.

Иными словами, повышается в десятки раз интенсивность инфразвуковых волн в пласте 67 и радиус их действия, что приводит к резкому снижению стоимости нефти за счет увеличения расстояний между нагнетательными и добывающими скважинами.

Кроме того, в десятки раз повышается мощность силовой установки, работающей на парогазовой смеси, поступающей через патрубок 83 на турбину ГТУ /не показанную на чертеже/.

Работа скважин-волноводов с компрессорами 19.

Известно, что энергия давления вышележащих горных пород без применения искусственных методов вытеснения обеспечивает поступление нефти в добывающие скважины не более 25%, от общих ее геологических запасов в залежи /см. 2, стр.25/.

С применением только одних скважин-волноводов с компрессорами 19 нефть можно добывать с коэффициентом нефтеотдачи около 0,9, даже без применения нагнетательных скважин. При этом в 2 или более раз снижается стоимость добытой нефти.

Особенно при использовании волновых детонационных мощных компрессоров 19, работающих с силовой установкой, снабженной осевым компрессором. Если производительность поршневых компрессоров около 400 м³/мин, то осевых достигает 10-12 тыс. м³/мин /см. 11, стр.6-7/. При этом ликвидируется риск выхода на поверхность парогазовой смеси, из-за ее отсутствия. В скважинах с обсадными трубами 3 находится вода, поступающая по патрубку 79.

Из-за малой сжимаемости воды через открытые концы обсадных труб на горную породу воздействуют или ударные волны с частотой 10-16 Гц, при небольшой глубине скважин-волноводов, или упругие волны с высокой интенсивностью, превышающей 200 Вт/см². Этот комплекс наиболее эффективен при добыче нефти на больших глубинах, за счет большой мощности компрессоров 19 и малых потерь энергии акустических волн в горных породах вышележащих пластов.

Волновые электрические машины /компрессоры/.

Они выполняются так же, как и компрессоры 5, 11, 19, и отличаются от них тем, что крышка цилиндров 24 выполняется сплошной, без патрубка для подачи воздуха 6, клапана 25, пружины 26 и ограничителя 27. При этом через дополнительную форсунку 50 в комбинированных форсунках во взрывную камеру 46 впрыскивается вода, а через сопла 41 - или концентрированный раствор сильного электролита или жидкого металла - натрия с калием, имеющим отрицательную температуру плавления - 12,5°С /см. В.Б.Козлов "Жидкие металлы, Знание, Физика, 4/1974 г, стр.13 и др./ и пр. На место форсунок-детонаторов также устанавливаются комбинированные форсунки по фиг.2.

Работает компрессор следующим образом: во взрывную камеру форсунки 30 подается электропроводная жидкость через сопла 41, которые сталкиваются в зоне контакта 49. Одновременно впрыскивается форсункой 50 вода. В момент контакта струй 48 в зоне 49 замыкается цепь разрядного контура генератора электрических импульсов /ГИ/, и разрядный ток проходит по струям 48, нагревает их с электрическим взрывом. За счет высокой температуры, превышающей 2500°С, происходит термическое разложение жидкости струй 48 с образованием водорода, кислорода и осколков электролита, а также мгновенное испарение впрыснутой воды, с ее также термическим разложением на водород, кислород. /разрядник 45 вводится ж схему ГИ только при направлении струй 48 на стенки взрывной камеры 46 комбинированной форсунки/.

В начале рабочего цикла включаются только форсунки 30, 31 в первой зоне 32, как и в ранее рассмотренных волновых детонационных компрессорах. Последовательнее включение форсунок в зонах 33-35 приводит к росту КПД компрессора и усилению ударной волны в соплах 36, 22, 21. Образовавшиеся продукты термического разложения водного раствора и воды выходят из сопел 47 форсунок в зону 32 и как рабочее тело с высокой температурой совершают работу расширения в стороны крышки 24 и сопла 36 с образованием ударной волны. По мере расширения продуктов из водорода, кислорода и осколков электролита снижается их температура ниже 2500°С, с совершением обратного процесса ассоциации - соединения водорода с кислородом и осколков электролита. Химическая реакция соединения газов приводит к выделению того же количества тепла, которое было затрачено при электрическом взрыве струй 48, детонационному сгоранию водорода в кислороде с осколками электролита, возникновению ударных волн, которые усиливают первую от электрического взрыва, с коэффициентом преобразования энергии, равной двойной энергии, диссоциации раствора и воды. Коэффициент преобразования энергии воды раствора и впрыснутой воды, равный 2, позволяет при КПД генератора электрических импульсов /ГИ/ η_ГИ=93-97% использовать воду в качестве топлива.

В детонационных же компрессорах эта дополнительная энергия при электрических взрывах струй 48, 65 повышает модность компрессора, или при одной и той же мощности снижает расход топлива.

Струи электролита 48, в этой конструкции волнового электрического компрессора, несут в жидкости частицы металлов, разм. 30-40 мкм и менее, для увеличения удельной электропроводности и регулирования ее, в зависимости от концентрации этих частиц в растворе. Они выполняются диаметром 0,087 мм и более, а температура электрического взрыва струй превышает 2÷5×10⁴ К и устанавливается окончательно экспериментальным путем.

Достоинствами электрических компрессоров являются экологичность выхлопных газов и меньшая стоимость.

Технико-экономическая часть.

Предлагаемые искусственные методы воздействия на нефтяные пласты, в отличие от известных, обеспечивают достижение четырех эффектов:

1. Увеличение темпа отбора нефти из залежи и повышения ее нефтеотдачи в 2 раза, для легких нефтей, и в 6 раз и более, для вязких нефтей.

2. Снижение количества нагнетательных скважин, размещенных на больших глубинах, что уменьшает затраты на их строительство и эксплуатацию.

3. Обеспечивает отбор нефти из ранее разработанных месторождений, с полным извлечением всех ее геологических запасов.

4. Стоимость добываемой нефти снижается в 3 раза, по сравнению с нынешней, и главное, становится ясным то, что необходимо беречь нефть для будущих поколений людей, так как она становится легкоизвлекаемой - легкодоступной, почти как вода.

Выводы.

Волновые детонационные компрессоры 5, в которых используется воздух с высокими давлениями, превышающими 10-70 МПа, обеспечивают также и высокие давления продуктов сгорания в нагнетательных скважинах с обсадными трубами 1. Эти давления парогазовой смеси, действующей через сопла 16 на горную породу с нефтью, при детонационном сгорании превышают давления при обычном медленном сгорании, например, в ДВС /более 10 МПа/ на порядок и более - около Р=100-140 МПа /см. 8, стр.30/, при этом упругие акустические волны, генерируемые ударами парогазовой смеси, через сопла 16 на нефтяной пласт, с частотой 10-16 Гц создают в жидкости кавитацию и акустические течения, способствующие резкому увеличению дебита и к-та нефтеотдачи. При увеличении мощности силовой установки 8 и применения нескольких поршневых компрессоров 9 увеличивается также мощность излучателя, сопел 16 и интенсивность упругих инфразвуковых волн 67. При этом решается окончательно вопрос с установкой компрессоров 11 и устройством скважин-волноводов 3 путем пробного извлечения нефти из добывающих скважин 4. /или из наблюдательных/. Этот же вопрос - применять или нет скважин-волноводы - решается также за счет изменения расстояний между добывающими скважинами 4. То же относится и при работе волновых детонационных компрессоров 19 и силовыми установками с осевыми компрессорами.

Следует помнить, что волновые детонационные и волновые электрические компрессорные машины 5, 11 и 19 являются высокоэкономичными машинами и создают резкое увеличение дебита добывающих скважин. Приток нефти в скважины может превышать производительность современных насосов, особенно насосов-качалок.

Изобретение относится к области интенсификации при добыче нефти. Достигаемый технический результат - интенсификация за счет воздействия на пласт инфразвуковыми волнами с высокой интенсивностью, образования кавитации и акустических течений и вытеснения нефти, нагнетаемой в пласт жидкостью. Комплекс содержит нагнетательные скважины, скважины-волноводы и добывающие скважины с обсадными трубами. Обсадные трубы выполнены с фланцами и соплами или с цилиндрами и поршнями. К обсадным трубам прикреплена на фланцах емкость с водой и экраном, который установлен под выпускным патрубком парогазовой смеси. К емкости с водой или к обсадным трубам прикреплены на фланцах волновые детонационные или волновые электрические компрессоры. На этих компрессорах равномерно по окружности размещены цилиндры и рубашки охлаждения. Волновые компрессоры с одной стороны переходят в сопла-концентраторы ударных волн, а с другой - в их крышках размещены впускные клапаны сжатого воздуха с пружинами и ограничителями. Сопла нагнетательной скважины или скважины-волновода снабжены патрубками для нагнетания воды. Цилиндры волновых компрессоров содержат комбинированные и, смежно расположенные им, форсунки-детонаторы. Комбинированные форсунки используют для впрыскивания смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости. Комбинированные форсунки снабжены взрывными камерами. Форсунки-детонаторы необходимы для впрыскивания электропроводной жидкости. Обсадные трубы нагнетательных скважин снабжены соплами-концентраторами импульсов давления в парогазовой смеси или воде в упругие волны, генерируемые в нефтяном пласте. Комплекс является источником парогазовой смеси с избыточным давлением с возможностью подключения к газовой турбине силовой установки. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Комплекс для добычи нефти, содержащий нагнетательные скважины, скважины-волноводы и добывающие скважины с обсадными трубами, с фланцами и соплами или обсадные трубы с цилиндрами и поршнями, расположенные в горной породе с залежью нефти, размещенными на фланцах или на емкости - паровом котле с водой и экраном, установленным под выпускным патрубком парогазовой смеси, с одной стороны опирающимся на стойки и фундамент, а с другой соединенным с насосом подачи воды, волновыми детонационными или волновыми электрическими компрессорами с соплами, цилиндрами с крышкой и патрубком для подачи сжатого воздуха, клапанами с пружинами и ограничителями, подсоединенными к поршневому или к турбокомпрессору осевому с электрогенераторами, генераторы электрических импульсов, подключенные к электродам комбинированных форсунок и форсунок-детонаторов и к источнику электрического тока, систему транспортирования и нагнетания электропроводной жидкости и углеводородного топлива, с размещенной в ней насосами, отличающийся тем, что он снабжен волновыми детонационными или электрическими компрессорами на нагнетательных скважинах и скважинах-волноводах, с цилиндрами и рубанками охлаждения, равномерно размещенными по окружности, с одной стороны переходящими в сопла-концентраторы ударных волн и энергии расширяющихся продуктов детонационных или электрических взрывов, переходящих в импульсы давления и в упругие волны в нефтяном пласте, а с другой - в крышках размещены впускные клапаны сжатого воздуха с пружинами и ограничителями, цилиндры снабжены комбинированными форсунками, последовательно размещенными друг за другом, для впрыскивания смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости и, смежно расположенными к ним форсунками-детонаторами, для впрыскивания струй электропроводной жидкости, при этом комбинированные форсунки снабжены топливными форсунками или форсунками для впрыскивания воды и патрубками, внутри которых установлены шнеки, электродами размещенными в цилиндрических каналах, выполненных из электроизоляционного материала, сообщающихся с соплами, направленными под углом друг к другу, при этом сопла нагнетательной скважины или скважины-волновода снабжены патрубками для нагнетания воды.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что комбинированные форсунки снабжены взрывными камерами.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что обсадные трубы нагнетательных скважин снабжены соплами-концентраторами импульсов давления в парогазовой смеси или воде, в упругие волны, генерируемые в нефтяном пласте.

4. Комплекс по п.3, отличающийся тем, что сопло волнового детонационного компрессора направлено по оси возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре и расположено с заданным зазором от его торца в слое воды емкости.

5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что форсунки-детонаторы с размещенными в них цилиндрическими каналами, выполненными из электроизоляционного материала, с одной стороны содержат электроды, а с другой - сопла, направленные под углом друг к другу, для впрыскивания струй электропроводной жидкости.

6. Комплекс по любому из пунктов, отличающийся тем, что он дополнительно является источником парогазовой смеси с избыточным давлением, подключенный к газовой турбине силовой установки с компрессором и электрогенератором.