устройство для акустического воздействия на стенки скважины

Формула изобретения

1. Устройство для акустического воздействия на стенки скважины, включающее ультразвуковой генератор, образованный несколькими электрически соединенными между собой функциональными блоками, скважинный снаряд в виде полого корпуса и ультразвуковой преобразователь, преимущественно магнитострикционный, который механически взаимосвязан со скважинным снарядом и посредством обмотки возбуждения соединен с ультразвуковым генератором, отличающееся тем, что функциональные блоки ультразвукового генератора выполнены последовательно расположенными один за другим и установлены в скважинном снаряде, корпус которого выполнен секционным, при этом ультразвуковой преобразователь установлен в одной из секций скважинного снаряда и дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним излучающим звеном, которое выведено из корпуса скважинного снаряда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что излучающее звено выполнено в виде трансформатора направления колебаний.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно составным, а габариты каждой его составной части имеют резонансные размеры.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно в виде полого цилиндра, один конец которого закруглен, а другой оснащен заглушкой и соединен с рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно из титанового сплава.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что секции корпуса скважинного снаряда выполнены герметичными и изолированы одна от другой.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что секции корпуса скважинного снаряда выполнены преимущественно с разными габаритными размерами.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что секции корпуса скважинного снаряда расположены преимущественно последовательно одна за другой.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что секции корпуса скважинного снаряда взаимосвязаны между собой преимущественно с обеспечением возможности их относительного перемещения, по меньшей мере, в одной плоскости.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в одной секции корпуса скважинного снаряда расположены полностью или частично составные элементы, по меньшей мере, одного функционального блока ультразвукового генератора.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ультразвуковой преобразователь установлен преимущественно в крайней секции скважинного снаряда.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ультразвуковой преобразователь установлен в нижней секции скважинного снаряда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области эксплуатации буровых скважин, а именно к средствам акустического воздействия на стенки скважины, и может быть использовано, например, при добыче нефти.

Известно устройство для акустического воздействия на стенки скважины, обеспечивающее увеличение притока нефти, в котором источник акустического воздействия, устанавливаемый в зоне нефтенесущего пласта, представляет собой гидравлический вибратор [1].

Недостаток этого устройства заключается в том, что его вибратор работает на частоте нескольких сотен герц, в результате чего стенки скважины подвергаются разрушающему воздействию низкочастотных колебаний.

Известно также устройство для акустического воздействия на стенки скважины, включающее магнитострикционный преобразователь, устанавливаемый в зоне нефтенесущего пласта, ультразвуковой генератор, расположенный на поверхности земли, и питающий кабель, который электрически соединяет между собой ультразвуковые генератор и преобразователь [2].

Недостатком этого устройства, работающего в ультразвуковом диапазоне частот более благоприятном для стенок скважины, является наличие больших энергетических потерь в питающем кабеле, соединяющем наземную и скважинную части устройства.

Кроме того, известно устройство для акустического воздействия на стенки скважины, содержащее соединенные между собой посредством питающего кабеля ультразвуковой генератор (например, типа УЗГ-3-4), который вследствие больших габаритных размеров корпуса (700×1500×700 мм), превышающих диаметр скважины, расположен на поверхности земли, и акустический излучатель, который (установлен в полости скважинного снаряда, имеющего полый цилиндрообразный корпус) образован умножителем частоты, магнитострикционным преобразователем (согласно описанию устройства он выполнен без излучающего звена) и электронагревателем в виде ТЭНа. Большие габаритные размеры ультразвукового генератора этого устройства в значительной степени обусловлены тем, что его функциональные блоки имеют пространственное расположение, поскольку их составные элементы, в зависимости только от собственных габаритов и веса, установлены на различных шасси, закрепленных как на основании, так и на стенках корпуса [3].

Такое конструктивное решение, в сравнении его с вышеохарактеризованным, существенно усложняет устройство, но позволяет уменьшить энергетические потери в питающем кабеле. Однако оно не устраняет эти потери полностью, поскольку питающий кабель, соединяющий наземную и скважинную части устройства, т.е. ультразвуковые генератор и преобразователь, все же имеет значительную длину.

Это и является основным недостатком данного устройства, которое по своей технической сущности и результату, достигаемому при его использовании, является наиболее близким к предлагаемому и принято в качестве прототипа.

Вторым существенным недостатком этого устройства является то, что его магнитострикционный преобразователь (например, стержневого типа) выполнен без излучающего звена. В результате этого ультразвуковые колебания распространяются вдоль оси скважины и не имеют непосредственной направленности на стенки скважины. Вследствие этого суммарная продолжительность акустического воздействия на стенки скважины увеличивается, а вместе с ней увеличивается и расход электроэнергии.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение энергетических потерь.

Данный технический результат в устройстве для акустического воздействия на стенки скважины, включающем ультразвуковой генератор, образованный несколькими электрически соединенными между собой функциональными блоками, скважинный снаряд в виде полого корпуса и ультразвуковой преобразователь, преимущественно магнитострикционный, который установлен в полости корпуса скважинного снаряда и посредством обмотки возбуждения соединен с ультразвуковым генератором, достигается за счет того, что функциональные блоки ультразвукового генератора выполнены последовательно расположенными один за другим и установлены в скважинном снаряде, корпус которого выполнен секционным, при этом ультразвуковой преобразователь установлен в одной из секций скважинного снаряда и дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним излучающим звеном, которое выведено из корпуса скважинного снаряда.

Достижению технического результата способствует также и то, что:

- излучающее звено выполнено в виде трансформатора направления колебаний;

- трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно составным, а габариты каждой его составной части имеют резонансные размеры;

- трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно в виде полого цилиндра, один конец которого закруглен, а другой оснащен заглушкой и соединен с рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя;

- трансформатор направления колебаний выполнен преимущественно из титанового сплава;

- секции корпуса скважинного снаряда выполнены герметичными и изолированы одна от другой;

- секции корпуса скважинного снаряда выполнены преимущественно с разными габаритными размерами;

- секции корпуса скважинного снаряда расположены преимущественно последовательно одна за другой;

- секции корпуса скважинного снаряда взаимосвязаны между собой преимущественно с обеспечением возможности их относительного перемещения, по меньшей мере, в одной плоскости;

- в одной секции корпуса скважинного снаряда расположены полностью или частично составные элементы, по меньшей мере, одного функционального блока ультразвукового генератора;

- ультразвуковой преобразователь установлен преимущественно в крайней секции скважинного снаряда;

- ультразвуковой преобразователь установлен в нижней секции скважинного снаряда.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически представлено предлагаемое устройство.

Ниже приводится пример конкретного выполнения предлагаемого устройства, не исключающий других вариантов его выполнения в объеме формулы изобретения.

Наземная часть устройства представляет собой крышку 1 скважины, через которую с помощью роликов 2 и 3, установленных на специальных подставках (не показаны), пропущены электрокабель 4, подключенный к промышленной электрической сети (380 В, 50 Гц), и металлический трос 5, удерживающий скважинный снаряд на заданной глубине. Электрокабель, взаимосвязанный с пультом управления 6 (кнопки «ВКЛ» и «ВЫКЛ», ручка регулировки потребляемой мощности), и трос 5 имеют необходимую длину и намотаны на вращающиеся барабаны 7 и 8, которые установлены на специальных стойках (не обозначены).

Скважинная часть устройства, обеспечивающая акустическое воздействие на стенки 9 скважины, состоит из скважинного снаряда 10, ультразвукового генератора 11, ультразвукового преобразователя 12 и излучающего звена 13.

Скважинный снаряд 10 выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, который по его высоте специальными перегородками (не обозначены) разделен на пять герметичных и изолированных одна от другой секций 14. Корпус скважинного снаряда снабжен крышками (не обозначены), верхняя из которых имеет отверстие для прохода электрокабеля 4 и взаимосвязана с тросом 5. Секции 14 скважинного снаряда 10 выполнены с одинаковыми габаритными размерами (внешний диаметр, высота, толщина стенки), расположены последовательно одна за другой (по одной общей для них оси) и жестко взаимосвязаны между собой, т.е. без наличия возможности их относительного перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Ультразвуковой генератор 11 образован электрически соединенными между собой пультом управления 6 и несколькими функциональными блоками 15 (например, блок подачи питания, силовой блок, блок подмагничивания, блок управления), которые в корпусе скважинного снаряда расположены последовательно один за другим, размещены в его отдельных секциях 14 и электрически взаимосвязаны между собой через перегородки секций.

Ультразвуковой двухстержневой магнитострикционный преобразователь 12, например полуволновой длины, установлен в нижней (крайней) секции скважинного снаряда 10. Он имеет одну рабочую поверхность (на вторую его излучающую поверхность наклеена резина, не показана) и оснащен обмоткой возбуждения 16, которая уложена на его стержни и соединена с выходным блоком ультразвукового генератора 11.

Излучающее звено 13 ультразвукового преобразователя 12 выполнено в виде трансформатора направления колебаний, который изготовлен из титанового сплава (ВТ-3) и выведен из корпуса скважинного снаряда через его нижнюю крышку. Он представляет собой полый цилиндр, один из концов которого выполнен закругленным, а второй заглушен пробкой и жестко соединен с рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя 12. Причем полый цилиндр выполнен составным (в виде отдельных волноводов 17, имеющих резонансные размеры) и может иметь суммарную длину более одного метра, в то время как длина ультразвукового генератора 11 (достаточно высокой мощности) не превышает 55-60 сантиметров.

Предлагаемое устройство, при создании ультразвуковой части которого можно воспользоваться общедоступной информацией (например, книгой В.О.Абрамова, О.В.Абрамова и др. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении, М., Янус-К, 2006, стр.17-66), эксплуатируется следующим образом.

Предварительно скважинный снаряд 10 посредством троса 5 опускают в скважину 9 и располагают его в требуемой зоне, например на одном из участков нефтенесущего пласта. Затем, включая соответствующую кнопку пульта управления 6, на ультразвуковой генератор 11 по электрокабелю 4 подают электрическую энергию от сети промышленной частоты, которую он и преобразует в ток ультразвуковой частоты, поступающий на обмотку возбуждения 16 ультразвукового преобразователя 12. Под действием магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения 16, преобразователь 12 начинает совершать продольные колебания с ультразвуковой частотой, которые и передаются излучающему звену 13. Продольные колебания преобразователя 12, поступающие в излучающее звено 13, т.е. в трансформатор направления колебаний, преобразуются им в радиальные колебания его боковой поверхности (на чертеже показано горизонтальными стрелками). Эти колебания распространяются через жидкость, заполняющую скважину, и воздействуют на нефтенесущий пласт, обеспечивая, в конечном счете, увеличение притока нефти. По истечении соответствующего времени акустического воздействия на стенки скважины все оборудование отключают от электрической цепи и приводят его в исходное положение.

К другим примерам конкретного выполнения предлагаемого устройства, в первую очередь, следует отнести различные вариации с выполнением секций скважинного снаряда и размещением в них функциональных блоков ультразвукового генератора и их составных элементов. Это является весьма актуальным на стадии разработки и создания устройства и не влияет на эффективность его работы в процессе эксплуатации.

Секции скважинного снаряда (все или часть из них) могут быть выполнены с разными габаритными размерами из одного и того же или из разных материалов. Они могут быть расположены рядом одна с другой и взаимосвязаны между собой с обеспечением возможности их относительного перемещения, по меньшей мере, в одной плоскости. При этом в каждой из них можно расположить полностью или частично составные элементы двух или трех функциональных блоков ультразвукового генератора.

Эффективность работы предлагаемого устройства определяется в основном конструкциями ультразвукового преобразователя и излучающего звена и их количеством. В этой части следует отметить, что преобразователь может быть выполнен магнитострикционным кольцевым или же пьезокерамическим и он может быть расположен в центре скважинного снаряда или в его верхней части. Оптимальным представляется вариант, когда используется стержневой магнитострикционный преобразователь и каждая его излучающая (рабочая) поверхность снабжена соответствующим излучающим звеном.

Как показали экспериментальные исследования, в сравнении с известным устройством, использование современных комплектующих изделий, последовательное расположение функциональных блоков ультразвукового генератора и их размещение в скважинном снаряде позволяют получить практически полное снижение энергетических потерь, т.к. на участке между генератором и преобразователем питающий кабель отсутствует, а оснащение ультразвукового преобразователя излучающим звеном, трансформирующим направление распространения колебаний, - сократить суммарную продолжительность акустического воздействия на стенки скважины и тем самым в значительной степени уменьшить общие энергетические потери.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить простое и достаточно надежное достижение вышеуказанного технического результата.

Источники информации

1. Гадиев С.М. Использование вибраций в добыче нефти. М., «Недра», 1977.

2. Макаров В.Н. и др. Первые результаты применения ультразвука в борьбе с отложением солей в нефтепромысловом оборудовании на Шаимском месторождении. - "Нефтепромысловое дело", М., ВНИИОЭНТ, 1978, № 6, с.23.

3. Авторское свидетельство СССР, № 989048, МКИ Е21В 43/00, 1981 г.