способ воздействия на призабойную зону скважины

Формула изобретения

Способ воздействия на призабойную зону скважины, включающий спуск в скважину колонны насосно-компрессорных труб, насоса и акустического устройства и всасывание насосом флюида из перфорации и микротрещин, отличающийся тем, что осуществляют подавление спектра шума в диапазоне частот 1 - 20 кГц, вызываемого турбулентным режимом потока при всасывании насосом флюида из перфорации и микротрещин акустическим устройством, выполненным в виде установленных последовательно четвертьволновых резонаторов, настроенных на основную частоту f₀ гармониками f₁, f₂ и f₃, причем у первых двух



у следующих двух



у следующих двух



и у последних двух

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при фонтанном и механизированном способах добычи нефти.

Известен способ воздействия на призабойную зону, например, снижением гидростатического давления (депрессией) в скважине до оптимальной величины с одновременным контролем за притоком флюида по эмиссионным и фильтрационным составляющим акустического шума в зоне притока /1/.

Недостаток данного способа заключается в том, что при изменении депрессии на пласт (во время поиска оптимального гидростатического давления) в околоскважинной зоне пласта с понижением порового давления возрастает величина эффективного давления на скелет породы, равного разности между горным и поровым, которое упруго деформирует скелет породы, уменьшая пористость и проницаемость пласта.

В случае снижения давления ниже оптимального дебит скважины уменьшается за счет хрупкопластичного уплотнения порово-трещинных каналов и не восстанавливается при выравнивании гидростатического давления к первоначально установленному оптимальному значению, т.к. неупругие деформации породы пласта необратимы.

Наиболее близким по технической сущности является способ воздействия на призабойную зону устройством, включающим спуск в скважину колонны насосно-компрессорных труб, насоса и акустического устройства и всасывание насосом флюида из перфорации и микротрещин /2/.

Недостаток данного способа заключается в том, что в процессе всасывания насосом флюида из перфорации и микротрещин не осуществляется изменение-подавление спектра шума турбулентного потока, в котором присутствуют пульсационные составляющие.

Цель достигнута тем, что осуществляют подавление спектра шума в диапазоне 1-20 кГц, вызываемого турбулентным режимом потока при всасывании насосом флюида из перфорации и микротрещин акустическим устройством, выполненным в виде установленных последовательно четвертьволновых резонаторов, настроенных на основную частоту f_o с гармониками f₁, f₂ и f₃, причем у первых двух , у следующих двух , у следующих двух , у последних двух .

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в предлагаемом способе осуществляют резонатором подавление турбулентных шумов (фильтрационных шумов), возникающих во время притока флюида в скважину, т.е. уменьшаются пульсационные составляющие турбулентных шумов (амплитуды шумов мелких и крупномасштабных вихрей), тем самым убирается препятствие для движения флюида из микротрещин.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизны".

Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями показывает, что акустический способ воздействия на призабойную зону пласта известен /2/. Однако, неизвестно, что с помощью четвертьволновых резонаторов можно подавлять пульсационные составляющие вихрей турбулентного потока, изменяя тем самым режим течения флюида.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое решение может быть неоднократно использовано на любых скважинах при разных способах добычи нефти.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Исследование технического состояния скважин после перфорации акустическим шумомером типа АКТАШ - 36 показывает наличие широкополостного частотного спектра пульсации - спектра шума в призабойной зоне. Спектр шума находится в диапазоне 1-20 кГц, при этом уровень давления которого составляет 30-110 дБ.

Причиной возникновения шума в скважине является турбулентное течение из микротрещин и перфорации.

На фиг. 1 изображена векторная диаграмма разложения мгновенной скорости потока жидкости в точке А при турбулентном течении. - составляющая постоянная во времени, - турбулентные пульсации, изменяющиеся со временем, - результирующая мгновенной скорости жидкости при турбулетном режиме.

Таким образом, при турбулентном течении мгновенная скорость в каждой точке пространства может быть представлена как сумма двух составляющих: одна из них постоянная во времени, а вторая , называемая турбулентной пульсацией, изменяется во времени.

В общем виде можно написать

,

чем больше пульсация, тем крупнее вихрь, тем больше энергия турбулентного движения в точке и тем сильнее влияние турбулентного вихря на окружающую жидкость. Поэтому в данном способе предлагается уменьшить (как можно больше) турбулентную пульсацию акустическим резонатором.

Из теории гидродинамика известно:

1. Уравнение неразрывности в неподвижной системе координат при отсутствии источников массы имеет следующий вид /3/:

,

где

- плотность; t - время; u_i - скорость течения жидкости в направлении x_i,

2. Уравнение сохранения импульса (количества движения) при отсутствии внешних сил представляется

,

где

- тензор напряжений от сил давления P и вязкости; - коэффициент сдвиговой вязкости;

- символ Кронекера.

После дифференцирования уравнения неразрывности (2) по времени, а уравнение количества движения (3) по пространственной координате x_i и вычитая один результат из другого, с последующим вычитанием из обеих частей уравнения величины

,

получается неоднородное волновое уравнение

,

где

c_o - скорость распространения звука в невозмущенной среде, тензор T_ij= u_iu_j+(P_ij-p_ij)+(p-C²₀)_ij представляет собой разность напряжений в потоке и напряжений в покоящейся среде.

Видно, что левая часть уравнения (4) описывает распространение звука в покоящейся среде, а правая часть характеризует источники звука, образующиеся вследствие действия поля напряжений в жидкости.

Если мгновенную скорость u_i разложить на среднюю скорость U_i и пульсационную , то тензор напряжений будет иметь вид суммы произведений плотности, средних и пульсационных скоростей (согласно теории Лайтхилла)

.

Видно, что только три первых слагаемых представляют составляющие шума турбулентного потока, поскольку содержат изменяющиеся во времени пульсационные скорости. После дифференцирования составляющих тензора по пространственным координатам имеем второй член выражения (5)

.

Принимая во внимание уравнение неразрывности

,

и подставляя пульсационную скорость в виде получаем

.

Аналогично оперируя с третьим членом тензора, имеем

.

При дифференцировании четвертого члена тензора получают

.

Для упрощения записи последних трех членов правой части этого выражения используют соотношение

.

Тогда получают

.

После подставки полученных выражений (5)...(8) в правую часть неоднородного волнового уравнения (4) и приведения подобных членов имеют

.

Последние четыре члена являются комбинациями из произведений средних скоростей, плотности и их производных. Следовательно, они относятся к процессу распространения звука, а не его излучения, и описывают взаимодействие звука с полем средних скоростей. Если перенести эти члены в левую часть, то неоднородное волновое уравнение представляется в следующем виде /3/:

.

Для проведения анализа членов левой и правой частей уравнения (10), описывающих распространение и генерацию шума турбулентным потоком, автор /3/ произвел преобразование и получил следующее неоднородное волновое уравнение:

,

где



Первый член содержит вторую пространственную производную от произведения пульсационных скоростей. В соответствии с принятой терминологией этот член выражает "собственный" шум турбулентных пульсаций скорости или шум от взаимодействия турбулентость-турбулентность. С физической точки зрения "собственный" шум обусловливается турбулентными напряжениями, которые определяют скорость переноса количества движения через какую-либо поверхность вследствие пульсаций скорости.

Второй член включает произведение градиента средней скорости и первой пространственной производной пульсационной скорости. Этот член содержит только первую пространственную производную, изменяющуюся во времени, и определяет, таким образом, дипольный характер излучения. Согласно той же терминологии член выражает "сдвиговый" шум пульсаций скорости при наличии градиента средней скорости или шум от взаимодействия турбулентность-сдвиг. С физической точки зрения "сдвиговый" шум обусловлен пульсирующими во времени силами.

Согласно вышеизложенной теории звук, генерируемый турбулентным потоком, закрывает выход для жидкости из микротрещин.

Предлагается открыть выходы микротрещин от пульсационных составляющих турбулентного потока (уменьшить препятствия, которые тормозят движение потока флюида) и осуществить качественные изменения состояния системы, т.е. "спровоцировать" фазовый переход. Подавление шумов приводит к поздней турбулентности, т.е. к смещению, запаздыванию фазового перехода "ламинарный-турбулентный" режим /4/.

Подавить шум можно, например, резонатором Гельмгольца, концентричным резонатором, четвертьволновым резонатором и т.д.

Для реализации способа предлагается использовать четвертьволновые резонаторы, которые выполняются в виде кольцевых камер, охватывающих трубу. Эти резонаторы имеют несколько резонансных частот /5/.

f_pn=2(2n-1)c/4l, (n=1, 2, 3...),

где l - длина резонатора.

На фиг. 2 изображено устройство - модульная резонансная система, для реализации предложенного способа воздействия на призабойную зону скважины.

Устройство содержит соединительную муфту 1, трубу 2, набор четвертьволновых резонаторов: P₁, состоящий из фланца 3 и втулки 4; P₂, состоящий из фланца 5 и втулки 6; P₃, состоящий из фланца 7 и втулки 8; P₄, состоящий из фланца 9 и втулки 10; P₅, состоящий из фланца 11 и втулки 12; P₆, состоящий из фланца 13 и втулки 14; P₇, состоящий из фланца 15 и втулки 16; P₈, состоящий из фланца 17 и втулки 18; P₁ содержит полость 19; P₂ содержит полость 20; P₃ содержит полость 21; P₄ содержит полость 22; P₅ содержит полость 23; P₆ содержит полость 24; P₇ содержит полость 25; P₈ содержит полость 26 и направляющие пластины 27.

Резонаторы P₁ и P₂ настроены на основную частоту f¹₀^,2= 1500Гц, с гармониками f¹₁^,2= 4500 Гц, f¹₂^,2 = 75000 Гц и f¹₃^,2= 10500 Гц, резонаторы P₃ и P₄ настроены на частоту f³₀^,4 = 2000 Гц с гармониками резонаторы P₅ и P₆ настроены на частоту f⁵₀^,6 = 2500 Гц с гармониками f⁵₁^,6= 7500 Гц, f⁵₂^,6= 12500 Гц и f⁵₃^,6= 17500 Гц, резонаторы P₇ и P₈ настроены на частоту f⁷₀^,8= 3000 Гц с гармониками f⁷₁^,8= 9000 Гц, f⁷₂^,8= 15000 Гц и f⁷₃^,8= 0.

На фиг. 3 изображена спектрограмма шума, генерируемого турбулентным потоком флюида. По оси абсцисс относительно частоты 1,5-20 кГц в логарифмическом масштабе, а по оси ординат амплитуда шума в относительных единицах.

На фиг. 4 изображена спектрограмма шума турбулентного потока флюида с поглощенными частотами

На фиг. 5 изображена спектрограмма шума турбулентного потока флюида с поглощенными частотами

На фиг. 6 изображена спектрограмма шума турбулентного потока при работе всех четвертьволновых резонаторов.

Пример осуществления способа. Первая операция. Перед спуском в скважину колонны НКТ соединяют (поворачивают) модульную резонансную систему на первую трубу НКТ. Вторая операция. Производят спуск в скважину НКТ вместе с модульной резонансной системой, а затем последовательно соединяют насос (например, электроцентробежный насос). Третья операция. Включает электроцентробежный насос. Четвертая операция. Создают насосом турбулентный режим потока из перфорации и микротрещин путем всасывания флюида. Турбулентный поток создает спектр шума в диапазоне частот 1-20 кГц (см. фиг.3), согласно формуле

T = u_iu_j=A+B+C+D,

где

T - тензор напряжений;

;

u_ju_i - мгновенная скорость;

u_ju_i - средняя скорость;

- пульсационная составляющая;

- плотность.

Пятая операция. Производят поглощение частот в спектре шума резонаторами. В результате поглощения заданных частот (пульсационных составляющих A+B+C) в тензоре напряжений

T = (A+B+C)+D - (A+B+C)=D,

остается только среднее значение скорости D. Открываются выходы микротрещин и перфораций от тормозящих пульсационных составляющих, что приводит к поздней турбулентности, т. е. к смещению, запаздыванию фазового перехода "ламинарный-турбулентный" режим, а также увеличивает приток флюида в скважину.

Предложенный способ воздействия на призабойную зону, основанный на поглощении (подавлении) звуковых частот, генерируемых турбулентным потоком флюида из микротрещин и перфорации, позволил увеличить дебит на скважинах 9139 и 10166 на Таллинском месторождении ОАО "Кондпетролеум" на 14 и 20 %.

Источники информации:

1. Авторское свидетельство N 1461875, кл. E 21 B 43/45. Способ освоения скважин. Бюл. N 8,1989.

2. Авторское свидетельство N 794200, кл. E 21 B 43/24. Способ освоения скважин. Бюл. 1981 (прототип).

3. Блохинцов А.И. Акустика неоднородной движущейся среды. - 2 изд. М.: Наука, 1981, с.63, 73-76, 80-82.

4. Мирзаджанзаде А. Х. , Филипов В.П., Аметов И.М. Разработка нефтяных месторождений, наследственность, санорганизация, шумы. Нефтяное хозяйство, N 3, 1995, c. 42-44.

5. Справочник. Шумы на производстве. Под ред. А.Д. Юдина. М.: Недра, 1993, с. 302-309.