СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ НА ЗАБОЕ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ Российский патент 2015 года по МПК E21B43/25 E21B28/00 E21B43/16 F15B21/12 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а также может быть использовано в химической промышленности при получении эмульсий.

Известен способ возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины, ближайший по технической сущности и принятый в качестве прототипа, реализованный в устройстве (см. заявка №2008108054/03 от 29.02.2008 г., опубл. 10.10.2009 г., патент №2369734), заключающийся в том, что: плоскую стесненную струю жидкости подают непрерывно из щелевого сопла на носик клина; при этом формируют область первичной генерации вихревых структур в зоне за кромкой соплового среза; обеспечивают периодический срыв кольцевых вихревых структур с кромки соплового среза, их перемещение со струей и соударение с носиком клина; генерируют возмущения давления при деформации и разрушении вихревых структур на носике клина; осуществляют распространение периодических возмущений давления от носика клина во все стороны в виде упругих волн и их хаотическое отражение от окружающих стенок; создают накачку энергией кратных вихревых структур за счет энергии упругих колебаний, достигающих область первичной генерации; отклоняют струю жидкости на носике клина в один из двух расходящихся выпускных каналов; разделяют струю на входе перед выпускным каналом и направляют струю частично в боковую камеру, сопряженную с кромкой сопла и выпускным каналом; повышают в камере давление за счет поршневого эффекта подаваемой струи и отталкивают струю в противоположный выходной канал созданным с двух ее сторон перепадом давления; обеспечивают периодическое переключение направления струи жидкости между выпускными каналами; выталкивают жидкость попеременно из расходящихся каналов в общий перфорированный выходной коллектор; возбуждают поле упругих колебаний на забое нагнетающей скважины.

Этот способ возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины основан на формировании упругих волн в резонаторной камере струйного генератора при прокачке жидкости через его каналы и подаче импульсов давления на забой скважины через перфорационные отверстия выходного коллектора генератора.

Колебания давления в протекающей через струйный генератор жидкости возникают при соударении вихревых структур, срывающихся периодически с кромки сопла, с острым носиком клина, установленного в плоскости симметрии устройства и направленного навстречу потоку. Вихревые структуры срываются с кромки сопла строго периодически подобно тому, как периодически срываются капли воды с носика водяного крана в ванной комнате. Деформация и разрушение вихревых структур на носике клина сопровождается возмущениями давления в потоке, которые распространяются со скоростью звука во все стороны, в том числе напрямую в область первичной генерации вихревых структур за кромкой среза сопла. По телу струи, если скорость потока меньше скорости звука. Эти возмущения давления добавляют свою энергию к энергии отрывающихся вихревых структур, усиливая далее колебания давления на носике клина. Это взаимодействие называется механизмом обратной связи.

Те возмущения давления, образованные на носике клина, которые направлены в виде волны упругих колебаний в разные стороны, хаотически отражаются от стенок и быстро затухают. Механизм обратной связи и накачка энергией области первичной генерации имеет важное значение для работы устройства в целом.

Колебания давления распространяются в потоке жидкости на забой скважины, формируя в призабойной зоне волновое поле упругих колебаний.

Недостатком способа, взятого за прототип, является малая эффективность механизма обратной связи, поскольку незначительная часть волновой энергии возмущений давления на носике клина достигает области первичной генерации за кромкой среза сопла.

Известен струйный генератор упругих колебаний в потоке жидкости, предназначенный для возбуждения волнового поля в призабойной зоне нагнетающих скважин, ближайший по своей сущности и взятый за прототип (см. заявка №2008108054/03 от 29.02.2008 г., опубл. 10.10.2009 г., патент №2369734), состоящий из: щелевого сопла с выходными кромками на срезе, формирующего плоскую стесненную струю; клина с острым носиком, установленного навстречу движущейся жидкости; двух плоских выпускных каналов, имеющих каждый собственную внешнюю входную кромку и расходящихся в обе стороны от носика клина, представляющего собой общую внутреннюю входную кромку обоих выпускных каналов; двух боковых камер, расположенных с двух сторон плоской стесненной струи между срезом сопла и расходящимися выпускными каналами, выходящими в общий перфорированный коллектор.

Струйный генератор состоит из щелевого сопла, через которое в устройство подается жидкость, симметричного клина с острым носиком, установленного на некотором удалении от среза сопла навстречу струе жидкости, двух выпускных каналов, расходящихся от носика клина, двух боковых камер, расположенных по обеим сторонам плоской струи между срезом сопла и выпускными каналами и перфорированного коллектора, в который выходят выпускные каналы.

Острый носик клина представляет собой общую входную внутреннюю кромку выпускных каналов, а внешняя входная кромка у каждого выпускного канала собственная, и в этой точке (в проекции на секущую продольную плоскость) внешняя стенка канала сопряжена со стенкой боковой камеры (см. фиг.1). С другой стороны стенка боковой камеры сопряжена с соответствующей кромкой среза сопла. Кромки стенок боковых камер стремятся выполнять острыми с обеих сторон, и в месте сопряжения с сопловым срезом, и в месте сопряжения с внешними стенками выпускных каналов. Оба выпускных канала выходят в общий перфорированный коллектор, через который отработавшая в генераторе жидкость нагнетается в продуктивный нефтяной пласт.

Стенки боковых камер имеют произвольный профиль, выбранный из соображений удобства изготовления деталей.

Недостатком генератора, взятого за прототип, является конструкция стенок боковых камер, не позволяющая направить всю энергию падающих волн на кромку среза сопла, в область первичной генерации вихревых структур.

Технический результат достигается за счет того, что в способе возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины, заключающемся в том, что: плоскую стесненную струю жидкости подают непрерывно из щелевого сопла на носик клина; при этом формируют область первичной генерации вихревых структур в зоне за кромкой соплового среза; обеспечивают периодический срыв кольцевых вихревых структур с кромки соплового среза, их перемещение со струей и соударение с носиком клина; генерируют возмущения давления при деформации и разрушении вихревых структур на носике клина; осуществляют распространение периодических возмущений давления от носика клина во все стороны в виде упругих волн и их хаотическое отражение от окружающих стенок; создают накачку энергией кратных вихревых структур за счет энергии упругих колебаний, достигающих область первичной генерации; отклоняют струю жидкости на носике клина в один из двух расходящихся выпускных каналов; разделяют струю на входе перед выпускным каналом и направляют струю частично в боковую камеру, сопряженную с кромкой сопла и выпускным каналом; повышают в камере давление за счет поршневого эффекта подаваемой струи и отталкивают струю в противоположный выходной канал созданным с двух ее сторон перепадом давления; обеспечивают периодическое переключение направления струи жидкости между выпускными каналами; выталкивают жидкость попеременно из расходящихся каналов в общий перфорированный выходной коллектор; возбуждают поле упругих колебаний на забое нагнетающей скважины; фокусируют упругие волны, отраженные от стенок каждой камеры, на сопряженной с ней кромке соплового среза.

В струйном генераторе, предназначенном для возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины, состоящем из: щелевого сопла с выходными кромками на срезе, формирующего плоскую стесненную струю; клина с острым носиком, установленного навстречу движущейся жидкости; двух плоских выпускных каналов, имеющих каждый собственную внешнюю входную кромку и расходящихся в обе стороны от носика клина, представляющего собой общую внутреннюю входную кромку обоих выпускных каналов; двух боковых камер, расположенных с двух сторон плоской стесненной струи между срезом сопла и расходящимися выпускными каналами, выходящими в общий выпускной коллектор; каждая боковая камера в продольном сечении имеет форму эллипса, причем в одном фокусе эллипса расположена выходная кромка среза щелевого сопла, а в другом фокусе расположен носик клина.

Кроме того, в одном фокусе эллипса может располагаться носик клина, а другой фокус может располагаться посредине между выходными кромками сопла.

Или же, в одном фокусе эллипса может располагаться выходная кромка сопла, а в другом фокусе может располагаться входная внешняя кромка выпускного канала.

Предложенный способ возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины состоит в следующем.

В области первичной генерации формируются вихревые структуры с запасом энергии, которая будет в дальнейшем преобразована в волновую энергию. Вихревые структуры увлекаются струей жидкости и налетают на острый клин. При деформации и разрушении этих структур их энергия преобразуется в колебательную энергию волнового поля. Для увеличения амплитуды распространяющихся в потоке волн необходимо обеспечить накачку энергией вихревые структуры, образующиеся в области первичной генерации. Некоторая часть энергии вихревых структур, преобразующаяся в энергию упругих колебаний на клине, достигает области первичной генерации в виде волновой энергии, распространяясь по телу струи навстречу потоку. Это называется механизмом обратной связи, и именно этот механизм обеспечивает накачку дополнительной энергией область первичной генерации в прототипе. Большая часть волновой энергии рассеивается внутри каналов и не достигает области первичной генерации.

Предлагается направить значительную часть энергии волнового поля в область первичной генерации, за исключением той ее части, которая падает на плоские боковые стенки канала. Для этого предлагается выполнить стенки боковых камер в форме эллипса (в продольной секущей плоскости), а в фокусах эллипса расположить источник волн и их приемник. Источник волн - это носик клина, а приемником волн является кромка соплового среза, во всяком случае, прилегающие к этим объектам области. Эллиптический профиль обладает таким свойством, что все падающие из одного фокуса лучи отражаются от стенки и достигают второго фокуса. Сумма падающего и отраженного угла для всех лучей одинакова. Таким образом, во втором фокусе будет собираться вся волновая энергия, образующаяся на носике клина, за исключением той ее части, которая падает на боковые плоские стенки.

При движении вихревой структуры от кромки соплового среза до носика клина проходит время, равное t₁ = ℓ / w,

где t₁ - время, необходимое вихревой структуре для преодоления расстояния между сопловым срезом и носиком клина вместе с потоком,

ℓ - расстояние между сопловым срезом и носиком клина,

w - скорость движения жидкости в струе.

При обратном движении возмущения давления от носика клина до кромки среза сопла в механизме обратной связи проходит время, равное t₂ = ℓ / с - w, где

t₂ - время, необходимое возмущению давления для преодоления расстояния обратно между носиком клина и сопловым срезом навстречу потоку,

с - скорость звука в среде.

Итак, для осуществления обратной связи между кромкой среза сопла и носиком клина необходимо время для перемещения возмущения туда и обратно t₃ = t₁ + t₂.

За это время успеют сформироваться и отделиться от кромки соплового среза еще несколько вихревых структур. Из сказанного следует, что механизм обратной связи позволяет осуществить накачку каких-то кратных вихревых структур, например каждой второй, или же каждой третьей. Если же временные интервалы между образованием вихревых структур и работой механизма обратной связи будут не совпадать, то накачки вихрей энергией не произойдет. Необходимо согласовывать расстояние между кромкой соплового среза и носиком клина ℓ со скоростью струи w.

Известно, что длина пути всех лучей между фокусами в эллипсе одинаковая. Это означает, что кроме фокусирования волновой энергии на области соплового среза можно за счет профилирования стенок боковых камер обеспечить усиление нужных кратных вихревых структур. Если механизм обратной связи обеспечивает, например, усиление каждой третьей вихревой структуры, а форма стенок боковых камер позволяет усиливать каждую шестую вихревую структуру, то эта каждая шестая вихревая структура будет обладать особенно значительной энергией.

Предложенный способ возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины позволяет получить большую амплитуду колебаний и более эффективно преобразовывать кинетическую энергию струи в колебательную энергию волнового поля.

На фиг.1 представлена схема струйного генератора с перфорированным коллектором.

Струйный генератор упругих колебаний в потоке жидкости состоит из плоских фрезерованных деталей, формирующих плоский канал, зажатых между двумя плоскими стенками. Щелевое сопло 1 (см. фиг.1) с плавным входом сформировано двумя деталями, боковые камеры 2 образованы несколькими деталями, при этом поверхность деталей, обращенная к потоку, имеет в проекции на секущую плоскость форму эллипса. Внешние стенки выпускных каналов 3 разбегаются в разные стороны от носика клина 4 под некоторым углом, а на выходе выпускных каналов предусмотрен перфорированный стальной коллектор, которым вся система насосно-компрессорных труб со струйным генератором может опираться на дно зумпфа.

Работает струйный генератор колебаний давления в потоке жидкости следующим образом. Плоский поток жидкости формируется щелевым соплом 1 и подается в виде стесненной струи на острый носик клина 3. Вследствие внутренней неустойчивости струя сваливается в первый момент в один из выпускных каналов 4. При попадании струи в выпускной канал она задевает краем внешнюю входную кромку канала и часть потока затекает внутрь боковой камеры. Вследствие поршневого эффекта давление в боковой камере увеличивается, и на струю при этом начинает оказывать воздействие создавшийся перепад давления, приводящий к тому, что струя отклоняется в ту сторону, где статическое давление меньше и перескакивает в другой выпускной канал, где все повторяется заново. Из обоих каналов жидкость поступает в перфорированный коллектор 5 и далее нагнетается в продуктивный пласт.

При полоскании струи вокруг носика сопла генерируются возмущения давления в примыкающем пространстве. Эти возмущения давления распространяются во все стороны в виде акустических волн. Те волны, которые падают на две плоские стенки, ограничивающие канал, быстро рассеиваются в потоке. А те волны, которые падают на профилированные стенки боковых камер под любым углом, отражаются от стенок строго в направлении сопряженной со стенкой камеры кромкой соплового среза.

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и предназначена для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов. Способ возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины заключается в том, что плоскую стесненную струю жидкости подают непрерывно из щелевого сопла на носик клина. При этом формируют область первичной генерации вихревых структур в зоне за кромкой соплового среза. Обеспечивают периодический срыв кольцевых вихревых структур с кромки соплового среза, их перемещение со струей и соударение с носиком клина. Генерируют возмущения давления при деформации и разрушении вихревых структур на носике клина. Осуществляют распространение периодических возмущений давления от носика клина во все стороны в виде упругих волн и их хаотическое отражение от окружающих стенок. Создают накачку энергией кратных вихревых структур за счет энергии упругих колебаний, достигающих область первичной генерации. Отклоняют струю жидкости на носике клина в один из двух расходящихся выпускных каналов. Разделяют струю на входе перед выпускным каналом и направляют струю частично в боковую камеру, сопряженную с кромкой сопла и выпускным каналом. Повышают в камере давление за счет поршневого эффекта подаваемой струи и отталкивают струю в противоположный выходной канал, созданным с двух ее сторон перепадом давления. Обеспечивают периодическое переключение направления струи жидкости между выпускными каналами. Выталкивают жидкость попеременно из расходящихся каналов в общий перфорированный выходной коллектор. Возбуждают поле упругих колебаний на забое нагнетающей скважины. При этом фокусируют упругие волны, отраженные от стенок каждой камеры, на сопряженной с ней кромке соплового среза. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования кинетической энергии струи в колебательную энергию волнового поля. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины, заключающийся в том, что: плоскую стесненную струю жидкости подают непрерывно из щелевого сопла на носик клина; при этом формируют область первичной генерации вихревых структур в зоне за кромкой соплового среза; обеспечивают периодический срыв кольцевых вихревых структур с кромки соплового среза, их перемещение со струей и соударение с носиком клина; генерируют возмущения давления при деформации и разрушении вихревых структур на носике клина; осуществляют распространение периодических возмущений давления от носика клина во все стороны в виде упругих волн и их хаотическое отражение от окружающих стенок; создают накачку энергией кратных вихревых структур за счет энергии упругих колебаний, достигающих область первичной генерации; отклоняют струю жидкости на носике клина в один из двух расходящихся выпускных каналов; разделяют струю на входе перед выпускным каналом и направляют струю частично в боковую камеру, сопряженную с кромкой сопла и выпускным каналом; повышают в камере давление за счет поршневого эффекта подаваемой струи и отталкивают струю в противоположный выходной канал созданным с двух ее сторон перепадом давления; обеспечивают периодическое переключение направления струи жидкости между выпускными каналами; выталкивают жидкость попеременно из расходящихся каналов в общий перфорированный выходной коллектор; возбуждают поле упругих колебаний на забое нагнетающей скважины; отличающийся тем, что фокусируют упругие волны, отраженные от стенок каждой камеры, на сопряженной с ней кромке соплового среза.

2. Устройство для возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины, состоящее из: щелевого сопла с выходными кромками на срезе, формирующего плоскую стесненную струю; клина с острым носиком, установленного навстречу движущейся жидкости; двух плоских выпускных каналов, имеющих каждый собственную внешнюю входную кромку и расходящихся в обе стороны от носика клина, представляющего собой общую внутреннюю входную кромку обоих выпускных каналов; двух боковых камер, расположенных с двух сторон плоской стесненной струи между срезом сопла и выпускными каналами, выходящими в общий перфорированный коллектор; отличающееся тем, что каждая боковая камера в продольном сечении имеет форму эллипса, причем в одном фокусе эллипса расположена выходная кромка среза щелевого сопла, а в другом фокусе расположен носик клина.