скважинный источник упругих колебаний

Формула изобретения

1. Скважинный источник упругих колебаний, содержащий скважинный снаряд с размещенными в нем накопителем энергии, зарядным устройством, разрядником со схемой поджига, электрогидроимпульсным разрядником с двумя электродами, устройством подачи и рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки, включающим в себя барабан для хранения запаса проволоки, механизм протягивания проволоки, отличающийся тем, что механизм протягивания проволоки выполнен в виде двух металлических пластин, закрепленных одними концами на диаметрально противоположных сторонах стержня, прижатых пружинами противоположными заостренными концами к расположенной на направляющей площадке проволоке, ориентированных под углом к проволоке, обеспечивающим ее попеременное зацепление и движение в сторону межэлектродного пространства за счет возвратно-поступательного противофазного движения заостренных концов пластин при возвратно-вращательном движении стержня, соединенного с помощью оси и тяги с подвижным якорем соленоида.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что соленоид и соединенная с якорем соленоида тяга расположены с одной стороны диэлектрической пластины, а барабан для хранения проволоки, две металлические пластины с пружинами, направляющая площадка для проволоки и стержень расположены с другой стороны диэлектрической пластины, при этом стержень и соединенная с якорем соленоида тяга соединены осью, проходящей через отверстие в диэлектрической пластине.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что в разрядной цепи накопителя энергии скважинного снаряда установлен пояс Роговского.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, методам разведочной геофизики и может найти применение для очистки зон перфорации скважин, возбуждения прилегающих к скважинам продуктивных пластов за счет упругого резонансного воздействия с целью увеличения извлекаемости углеводородов.

В процессе эксплуатации нефтяных месторождений происходит выработка запасов из пластов, снижается проницаемость прилегающих к скважинам пространств и повышается обводненность продукции. При длительной эксплуатации скважин их дебит уменьшается из-за асфальтно-смолистых отложений в зонах продуктивных пластов и в коллекторах скважин. При этом не исключается возможность невыработанности значительных по запасам целиков нефти в межскважинных пространствах. Для интенсификации добычи и повышения извлекаемости нефти и газа в настоящее время разработано большое количество технологий [1, 2]. Например, нефть (газ) вытесняется закачиваемой в продуктивные пласты водой, скважины обрабатываются химическими реактивами, применяется термообработка, для создания ударных волн в скважинах взрываются пороховые заряды. Однако, применение подобных технологий, как правило, связано с большими затратами, необходимостью соблюдения высокого уровня техники безопасности, с отрицательными экологическими последствиями.

Перспективной технологией увеличения дебита и извлекаемости нефти и газа является способ создания ударных волн в скважинах и прискважинных зонах с помощью электрогидроимпульсного разряда. При воздействии ударных волн происходят увеличение проницаемости прискважинной зоны продуктивного пласта, очистка перфорационных отверстий коллектора от механических примесей, газогидратных и асфальтно-смолистых отложений, развитие дополнительных систем трещин в пласте.

Известен генератор импульсных токов для установки электрогидравлического воздействия на пласт [3]. Генератор состоит из наземного источника питания и погружного генератора, которые соединены между собой с помощью каротажного кабеля. Параметры генератора: рабочее напряжение электрогидроимпульсного разрядника -30 кВ, энергия в импульсе - 0,5-1 кДж, длина погружного устройства - 7320 мм. Ударная волна возникает в результате электрического разряда в жидкой среде скважины между двумя электродами электрогидроимпульсного разрядника. Формирование импульса напряжения с амплитудой 30 кВ в погружном генераторе является сложной задачей, поскольку требуется обеспечить необходимую электрическую изоляцию устройства. В результате возрастают габариты погружного устройства, в частности его длина, поскольку диаметр ограничен диаметром скважины. Кроме того, эффективность преобразования электрогидроимпульсного разряда при использовании разрядника вышеуказанного типа в энергию ударной волны существенно зависит от физико-химических свойств жидкости и ухудшается при увеличении гидростатического давления и температуры. Например, если электропроводность жидкости велика, то при подаче импульса напряжения на электроды разрядника происходит не пробой промежутка, а так называемое “отекание” заряда без возникновения ударной волны.

Из существующих методов инициирования стабильного разряда в жидкостях с различными физико-химическими свойствами оптимальным является метод, при котором перед подачей импульса напряжения электроды разрядника замыкаются тонкой металлической проволокой. В первой фазе протекания тока проволока взрывается, образуя плазменный канал, что обеспечивает стабильное инициирование разряда [4]. Существенным преимуществом подобных типов разрядников является возможность использования генераторов питания на сравнительно низкие напряжения порядка 2-5 кВ.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является скважинный источник упругих колебаний [5], содержащий соединенный каротажным кабелем с наземным блоком управления скважинный снаряд, в котором расположены накопитель энергии, зарядное устройство, разрядник со схемой поджига, электрогидроимпульсный разрядник с двумя электродами, устройство подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки, включающее в себя барабан для хранения проволоки, механизм протягивания проволоки с приводом от якоря соленоида, толкателем с собачками, связанный с якорем соленоида, храповые колеса, контактирующие с собачками, подпружиненные протяжные ролики, посаженные на одни оси с храповыми колесами и возвратную пружину, связанную с якорем соленоида. Для обеспечения стабильной генерации электрогидроимпульсных разрядов в этом источнике используется взрывающаяся проволока, которая предварительно замыкает зазор между электродами. При подаче импульса напряжения на разрядный промежуток, замкнутый проволокой, проволока взрывается, образуя плазменный канал, который инициирует разряд. Основным недостатком указанного скважинного источника упругих колебаний является сложность конструктивного исполнения механизма протягивания проволоки и его низкая надежность. Кроме этого, в указанном источнике не контролируется ток в разрядном контуре накопительных конденсаторов. Процесс зарядки накопительных конденсаторов осуществляется через проводящую жидкость скважины, находящуюся между электродами электрогидроимпульсного разрядника, и практически не зависит от замыкания электродного промежутка проволокой. В случае, если промежуток не замкнут проволокой, то при срабатывании схемы поджига и разрядника накопительные конденсаторы разряжаются через проводящую жидкость в зазоре между электродами электрогидроимпульсного разрядника. При этом запасенная в конденсаторах энергия затрачивается на разогрев проводящей жидкости и рассеивается в окружающем пространстве. В данном случае упругих колебаний не возникает и отсутствует воздействие на призабойную зону скважин. Для того чтобы достичь необходимой эффективности применения скважинного источника упругих колебаний, требуется увеличить количество рабочих импульсов, что потребует дополнительных затрат энергии.

В предлагаемом изобретении решается задача интенсификации добычи и повышения извлекаемости нефти и газа из пластов со сниженной проницаемостью, очистки фильтров артезианских скважин за счет электрогидроимпульсного воздействия на призабойную зону скважин устройством с повышенным ресурсом, надежностью и простотой конструктивного решения.

В предлагаемом скважинном источнике упругих колебаний используется устройство подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки с повышенным ресурсом и надежностью. Для регистрации тока в разрядном контуре накопительных конденсаторов установлен пояс Роговского, который одновременно используется в качестве формирователя электрического сигнала для счетчика рабочих импульсов. Применение пояса Роговского позволяет контролировать амплитуду тока разрядного контура и соответственно эффективность работы устройства подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки. Использование в скважинном снаряде устройства подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки с повышенным ресурсом и надежностью работы в сочетании с контролем разрядного тока позволяет уменьшить количество неэффективных разрядов, при которых ударная волна не возникает, и соответственно снизить удельные затраты энергии на каждый цикл геофизических исследований и на единицу прироста дебита нефтегазовых скважин.

Это достигается тем, что источник упругих колебаний выполнен в виде скважинного снаряда, в котором расположены накопитель энергий, зарядное устройство, разрядник со схемой поджига, электрогидроимпульсный разрядник с двумя электродами, устройство подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки, включающее в себя барабан для хранения запаса проволоки, механизм протягивания проволоки, выполненный в виде двух металлических пластин, закрепленных одними концами на диаметрально противоположных сторонах стержня, прижатых пружинами противоположными заостренными концами к расположенной на направляющей площадке проволоке, ориентированных под углом к проволоке, обеспечивающим ее попеременное зацепление и движение в сторону межэлектродного пространства за счет возвратно-поступательного противофазного движения заостренных концов пластин при возвратно-вращательном движении стержня, соединенного с помощью оси и тяги с подвижным якорем соленоида.

Для регистрации тока в разрядном контуре скважинного снаряда установлен пояс Роговского, который одновременно используется для формирования электрического сигнала для счетчика рабочих импульсов. С целью сокращения размеров скважинного снаряда соленоид и соединенная с якорем соленоида тяга расположены с одной стороны диэлектрической пластины, а барабан для хранения проволоки, две металлические пластины с пружинами, направляющая площадка для проволоки и стержень расположены с другой стороны диэлектрической пластины, при этом стержень и соединенная с якорем соленоида тяга соединены осью, проходящей через отверстие в диэлектрической пластине.

С целью увеличения функциональных возможностей связи между наземным блоком питания, управления и контроля разряда и скважинным снарядом при ограниченном количестве проводящих жил каротажного кабеля используются установленные в скважинном снаряде реле, обеспечивающие соответствующие переключения электрической схемы в заданной временной последовательности.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлен скважинный источник упругих колебаний, на фиг. 2 - электрическая схема скважинного снаряда, на фиг. 3 и 4 - механизм протягивания проволоки устройства подачи в двух проекциях.

Источник упругих колебаний состоит из скважинного снаряда 1, опускаемого в скважину на каротажном кабеле 2. В скважинном снаряде расположены электрогидроимпульсный разрядник 3 с двумя электродами 4, 5, зарядное устройство 6, накопитель энергии 7, разрядное устройства 8, смонтированные в корпусе 9 в виде трубы с внешним диаметром, меньшим внутреннего диаметра скважины, и устройство подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки 10, смонтированное в отдельном замкнутом корпусе 11 такого же диаметра, заполняемом диэлектрической жидкостью для исключения отрицательного воздействия на работу механизма протягивания проволоки, заполняющих скважину жидкостей, в том числе и агрессивных, и соединенном с основной трубой корпуса 9 металлическими стержнями 12, практически не ослабляющих ударную волну, проходящую из межэлектродного промежутка в направлении стенок скважин. Общая длина скважинного снаряда составляет порядка 2600 мм. Блок питания, управления и контроля разряда размещается в наземном устройстве 13 в виде мобильной каротажной станции, в которой имеется автономный источник электропитании, каротажный подъемник и другое геофизическое оборудование.

Электрическая схема скважинного снаряда (фиг. 2) содержит зарядное устройство 6, состоящее из высоковольтного трансформатора 14, выпрямителя 15, ограничительного сопротивления 16, накопитель энергии 7, разрядное устройство 8 в виде разрядника 77 с пусковым электродом 18 и блоком формирования импульса 19 для запуска разрядника с повышающим трансформатором 20, электрогидроимпульсный разрядник 3 с двумя электродами 4 и 5, при этом один из электродов 5 заземлен, реле 27 для переключения жил кабеля 2, пояс Роговского 22 и устройство подачи металлической проволоки в рабочее межэлектродное пространство 10. Электропроводящие жилы кабеля 2 подсоединены к клеммам 23, 24 и 25, а броня - к клемме 26 разъема 27.

Устройство подачи в рабочее межэлектродное пространство металлической проволоки между электродами 4 и 5 состоит из двух металлических пластин 28 и 29, закрепленных одними концами на стержне 30 с диаметрально противоположных его сторон и другими концами с заостренными кромками, прижатых к проволоке 31, расположенной на направляющей площадке 32 с помощью пружин 33 и 34. Кромки пластинок заострены в виде скоса со стороны межэлектродного пространства. Относительно проволоки 31 и соответственно плоскости направляющей площадки 32 пластины 28 и 29 ориентированы под углом, обеспечивающим зацепление проволоки и ее движение в сторону межэлектродного пространства. В межэлектродное пространство между электродами 4 и 5 проволока 37 подается через отверстие 35 в заземленном электроде 5 и сальник 36. В процессе возвратно-вращательного движения стержня 30 против часовой стрелки заостренный конец пластины 28, прижатый пружиной 33 к проволоке 31, цепляет ее и перемещает в направлении межэлектродного пространства, при этом заостренный конец пластины 29, прижатый пружиной 34 к проволоке 31, скользит по проволоке в обратном направлении без зацепа. В процессе возвратно-вращательного движения стержня 30 по часовой стрелке заостренный конец пластины 29, прижатый пружиной 33 к проволоке 31, цепляет ее и перемещает в направлении межэлектродного пространства, при этом заостренный конец пластины 28, прижатый пружиной 33 к проволоке 37, скользит по проволоке в обратном направлении без зацепа. Таким образом, за один цикл возвратно-вращательного движения стержня 30 происходят два зацепления проволоки 31 и ее перемещения в сторону межэлектродного пространства. Возвратно-вращательное движение стержня 30 обеспечивается возвратно-поступательным движением якоря 37 соленоида 38 при подаче на него импульсов напряжения с наземного блока питания и управления 13. Якорь 37 соединен тягой 39 с осью 40, на конце которой закреплен стержень 30. Барабан 41 служит для обеспечения запаса проволоки 37. Составляющие элементы устройства протягивания проволоки смонтированы на диэлектрической пластине 42, соединенной с диэлектрическим диском 43.

Скважинный источник упругих колебаний работает следующим образом. С блока питания, управления и контроля разряда наземного устройства 73 по трем жилам и броне каротажного кабеля 2 подаются электрические сигналы, которые осуществляют следующие операции:

- срабатывание механизма подачи проволоки;

- заряд накопителя энергии;

- запуск воздушного разрядника;

а также принимается контрольный сигнал с пояса Роговского 22 об амплитуде разрядного тока накопителя энергии (накопительных конденсаторов) с последующей регистрацией счетчиком количества импульсов, который установлен в блоке питания, управления и контроля разряда наземного устройства 13.

От наземного блока питания, управления и контроля разряда устройства 73 по проводнику 24 каротажного кабеля 2 подаются импульсы напряжения на соленоид 38 механизма протягивания проволоки в течение времени, необходимого для замыкания проволокой 31 межэлектродного пространства между электродами 4 и 5. Время устанавливается экспериментальным путем при наладке. Перемещение проволоки 31 и подача ее в межэлектродное пространство между электродами 4 и 5 обеспечиваются двумя стальными пластинами 28 и 29.

По истечении указанного времени на вход повышающего трансформатора 14 по проводнику 23 каротажного кабеля 2 подается напряжение и происходит зарядка накопителя энергии 7.

Затем по жиле 25 каротажного кабеля 2 подается электрический сигнал на реле 21, которые переключают проводники 23 и 25 каротажного кабеля 2. После этого по проводнику 24 подается пусковой сигнал на вход блока формирования импульса запуска 19, затем он повышается с помощью трансформатора 20 и поступает на пусковой электрод 18 разрядника 17. После срабатывания разрядника 17 импульс высокого напряжения поступает на электрод 4 электрогидроимпульсного разрядника 3. Происходят нагрев проволоки, ее взрыв и образование плазменного канала между электродами 4 и 5. Запасенная в накопителе (конденсаторах) электрическая энергия выделяется в межэлектродном промежутке, формируя ударную волну, которая распространяется в окружающем пространстве внутри скважины и за ее пределами. Регистрация разряда производится по уровню сигнала с пояса Роговского 22, установленного в токовой цепи накопительных конденсаторов.

Технические параметры макета скважинного снаряда:

- Энергосодержание в импульсе, Дж 1000

- Напряжение зарядки накопительных конденсаторов, кВ 2,5-3,0

- Первичное напряжение, подаваемое к генератору по жилам каротажного кабеля от наземного блока, В, Гц 220,50

- Средняя длительность одного полного цикла срабатывания скважинного генератора, с 30

- Расчётное количество гидроимпульсов без подъёма генератора на поверхность 2000

- Длина корпуса генератора, м 2,6

- Внешний диаметр корпуса, мм 102

- Масса, кг 90

Использование скважинного источника упругих колебаний в геофизических исследованиях позволяет получить представление о плотности распределения запасов углеводородов в пластах как новых, так и старых нефтяных месторождений. Для новых месторождений определяются горизонты расположения продуктивных пластов и насыщенность их углеводородами. В процессе эксплуатации нефтяных месторождений происходит выработка запасов из пластов, снижается проницаемость прилегающих к скважинам пространств и повышается обводненность продукции. При этом не исключается возможность невыработанности значительных по запасам целиков нефти в межскважинных пространствах. С помощью скважинного источника упругих колебаний проводятся исследования пространства около скважины и между скважинами. Для этого в одну из скважин помещается скважинный источник упругих колебаний, а в другую - приемная антенна, которая регистрирует ударные волны, возникающие в результате электрического разряда в жидкости скважины.

Успешные испытания макета скважинного источника упругих колебаний на нескольких месторождениях России показали высокую эффективность использования технологии акустического воздействия на призабойную зону скважин с целью увеличения дебита скважин. Эффективность использования опытного макета скважинного источника упругих колебаний при обработке эксплуатационных и нагнетательных скважин на нескольких нефтяных месторождениях при сравнительно малых затратах времени и средств иллюстрируются результатами, приведенными в прилагаемой таблице. Дебит нефтегазовых и приемность нагнетательных скважин повышается (в 2-6 раз), увеличивается соотношение “нефть-вода” добываемого флюида, коэффициент извлечения нефти и газа увеличивается на 10-15%. При этом достигается полная безопасность проведения работ и исключаются экологически вредные последствия.

Высокий уровень предлагаемого технического решения определяется конструктивной простотой основных узлов устройства, например механизма протягивания проволоки в межэлектродный зазор разрядника, предложенным вариантом регистрации уровня тока разряда с помощью пояса Роговского, что обеспечивает надежность работы устройства, позволяет снизить его массогабаритные характеристики по сравнению с устройствами аналогичного назначения, оперативно повысить уровень эффективности обработки скважин.

Источники информации:

1. Гулый А.Г. Научные основы разрядно-импульсных процессов. Киев, Наукова думка, 1990 г., стр. 148-149.

2. Е.В.Зезекало, О.А.Иванкив, А.Н.Золотоус. Технология термогазокислотного влияния на призабойную зону пласта низкопроницаемых терригенных, карбонатных и глинистых коллекторов //Новейшие методы увеличения нефтеотдачи пластов - теория и практика их применения// Тезисы докладов научно-практической конференции YIII Международной выставки “Нефть, газ. Нефтехимия -2001”, 5-8 сентября 2001 г., Казань, стр. 69-71.

3. В.И.Воробьев, С.И.Заславский, А.М.Курач, Ю.И.Курашко. Генератор импульсных токов для установки электрогидравлического воздействия на пласт//Электронная обработка материалов// 1988, №1, стр. 79-80.

4. Л.А.Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние 1986, с.51-59.

5. Авторское свидетельство СССР № 247530, кл. G 01 v, 1969.