Применение звукового воздействия в практике нефтедобычи

Излучение акустических колебаний  при работе пластинчатых излучателей осуществляется в основном за счёт пластинки, колеблющейся в направлении, перпендикулярном её плоскости, с максимумом вблизи её свободного конца (рис. 3).

Как показали исследования, генерация акустических колебаний в вязких средах происходит при более высоких скоростях истечения жидкости, причём с увеличением вязкости рабочей жидкости скорости натекания должны возрастать.

Это обусловлено тем, что вязкость стабилизирует набегающий поток жидкости и поэтому возникновения автоколебаний в этой струе жидкости возникает при большей скорости жидкости.

Наиболее широкое распространение  на нефтепромыслах нашли вихревые излучатели (генераторы волн давления) как наиболее неприхотливые, например, к изменению условий закачки, в отличие от пластинчатых излучателей, которые требуют очень тонкой настройки.

Внешний вид излучателя приведён на рис. 4.

Генератор представляет собой корпус с цилиндрической камерой (камерой завихрения), с тангенциальным каналом (одним или несколькими) для подачи рабочей жидкости и соплом для выхода рабочей жидкости.

Рис. 4. Схематическое изображение вихревого генератора:

L и D – длина и диаметр вихревой камеры; d и l – диаметр и длина входного тангенциального отверстия

 

Генератор работает следующим образом. При подаче жидкости через тангенциальное отверстие 2 диаметром d (см. рис. 5) внутри камеры завихрения 3 и выходного сопла 4 генератора образуется система двух закрученных потоков. По периферии камеры движется так называемый первичный вихрь (I), имеющий в поперечном сечении форму кольца с наружным радиусом R = D/2 и внутренним rm. Этот поток состоит из рабочей жидкости, подаваемой в генератор. Приосевую область вихревой камеры занимает вторичный вихрь (II), вращающийся как квазитвёрдое тело.

Он образуется вследствие вовлечения в движение первичным потоком  жидкости из окружающей среды, в которую происходит истечение жидкости из генератора.

Опыт показывает, что в случае незатопленного истечения струи  жидкости (например, при истечении её в газообразную среду) движение устойчиво и пульсации давления и скорости в потоке отсутствуют. Если же истечение закрученной струи затопленное, т.е. рабочая жидкость в вихревой камере и вещество окружающей среды имеют одну и ту же физическую природу, то в потоке генерируются регулярные пульсации давления, частота и амплитуда которых зависит от скорости истечения и геометрических параметров камеры завихрения, её конструкции и формы сопла. В окружающей среде пульсации давления фиксируются как звук дискретного тона и значительной интенсивности.

Оказалось, что при затопленном  истечении (например, вода в воду) вторичный поток отклоняется от оси вихревой камеры и совершает регулярное прецессионное движение вокруг неё. При этом амплитуда смещения оси вторичного вихря ε увеличивается с ростом длины вихревой камеры. Отклонение вторичного вихря ε увеличивается с ростом длины вихревой камеры. Отклонение вторичного потока относительно равновесного состояния вызывает определённую деформацию первичного потока на границе их сопряжения.

 

Рис. 5. Схема течения закрученного потока в камере гидродинамического генератора волн давления:

1 – корпус, 2 – входные  (тангенциальные) отверстия, 3 – вихревая камера, 4 – сопло

 

Причиной автоколебаний в закрученном потоке жидкости являются колебания скорости и давления в первичном потоке (вихре), вызванные периодической деформацией его границ вторичным вихрем, совершающим прецессионное вращательное движение относительно оси камеры. Развитие прецессий вторичного вихря становится возможным только тогда, когда распределение в нём вращательной составляющей скорости в той или иной степени соответствует закону вращения твёрдого тела, т.е. u/ r=const (u – тангенциальная составляющая скорости вторичного вихря, r – текущий радиус вихря). В этом случае количество энергии вращения, передаваемой от первичного вихря к вторичному вихрю, становится настолько значительным, что часть её преобразуется в энергию поперечных колебаний.

Как показали исследования вихревого  излучателя, существует минимальная длина вихревой камеры LMIN , в пределах которой вторичный вихрь не успевает принять вращательное движение по всему поперечному сечению, а отсюда не возникает его прецессионное движение и, как следствие, не возникает излучения звука. Значение этой длины определяется интенсивностью закрутки жидкости, т.е. зависит от величины A=D(D−d )/nd² , где n – число входных отверстий. Отсюда следует, что колебания возникают только при LLMIN . С увеличением длины камеры интенсивность колебаний возрастает, достигая максимального значения при некоторой длине L=LOPT , а затем уменьшается. Значение величины LOPT также определяется интенсивностью закрутки потока А.

На рис. 6 приведена зависимость минимальной и оптимальной относительных длин вихревой камеры. В качестве единицы длины выбран диаметр вихревой камеры.

Рис. 6. Зависимость минимальной (1) и оптимальной (2) относительных длин вихревой камеры от степени закручивания потока А

Экстремальный характер зависимости интенсивности излучения звука от продольного размера вихревой камеры не нашёл пока убедительного физического объяснения. Предположения о возможности акустического резонанса не подтвердились.

Величина LOPT /D не зависит ни от скорости истечения жидкости из генератора, ни от скорости звука в рабочем теле (при продувании моделей излучателя водой с истечением в воду максимальная интенсивность звука была зарегистрирована при той же длине камеры, что и при продувании её воздухом с истечением в воздух). По всей вероятности, максимум излучения связан с особенностями гидродинамического взаимодействия вихрей, интенсивность которого зависит от длины камеры и степени закрученности первичного вихря, что косвенно подтверждается однозначностью связи степени разряжения в приосевой области с интенсивностью излучения.

Результаты получены в эксперименте, который проводился на модели излучателя с D = 16 мм, степень закручивания потока А изменялась в пределах 1,75 . 20, а относительная длина вихревой камеры плавно менялась от 0 до 10. Перепад давления на излучателе при работе с воздухом составил 0,98 ・105 Н/м². Кроме того, оказалось, что увеличение длины вихревой камеры против оптимальной приводит к снижению суммарной акустической мощности, поскольку с её увеличением монотонно снижается частота колебаний вследствие увеличения потерь момента скорости. Причём скорость снижения частоты тем больше, чем выше степень закручивания потока. Это связано с тем, что с увеличением степени закручивания увеличивается путь, на котором поток взаимодействует со стенками камеры, а, следовательно, возрастают потери на трение.

Акустическая мощность увеличивается  пропорционально расходу жидкости, проходящей через генератор. Сужение выходного сопла вихревой камеры позволяет увеличить частоту излучения звука, но при этом значительно снижается акустическая мощность и к.п.д. генератора. Увеличение частоты объясняется тем, что при сужении сопла значительно возрастает тангенциальная составляющая скорости в потенциальном первичном вихре. Это, в свою очередь, увеличивает скорость прецессии вторичного вихря. В то же время повышенный уровень скорости наряду с возросшим относительным размером пограничного слоя приводит к росту потерь на трение о стенки сопла, в результате чего снижается к.п.д. Мощность же излучения звука при этом снижается в основном за счёт снижения расхода жидкости, проходящей через генератор, вследствие уменьшения диаметра выходного отверстия вихревой камеры.

Поскольку по сути, как уже говорилось выше, причиной звуковых колебаний является прецессионное вращательное движение вторичного вихря, то в исследуется возможность усиления прецессионного вращения вторичного вихря и тем самым увеличения звуковой мощности излучателя. Так усиление прецессии вызывают кольцевым дефлектором, расположенным на выходе вихревой камеры и наклонённым под углом (20 . 35 о) к оси вихревой камеры. Такие же функции выполняет и просто косой с углом 10 . 55 о срез сопла. Аналогичной же цели посвящено и другое устройство, где повышение интенсивность прецессии обусловлено установленным на расстоянии (0,8−1)D от среза турбулизатором. Эффективным методом усиления интенсивности генерируемого звука является закрепление на торцевой стенке соосно с вихревой камерой конического тела. Для случая двух параллельно расположенных излучателей предложен способ увеличения амплитуды прецессионных колебаний и тем самым усиления звукового излучения за счёт гидродинамического взаимодействия выходящих из вихревых камер этих генераторов вращающихся навстречу друг другу потоков жидкости.

Изучение вихревого излучателя на стендах в ПГТУ и УНИ показало, что существует несколько режимов его работы, отличающихся скоростью истечения жидкости через тангенциальные отверстия в генераторе.

Так, при малых скоростях движения среды генератор не излучает звуковых волн. При скоростях движения жидкости 15  20 м/с появляются звуковые колебания малой амплитуды, вызванные чисто гидродинамическими причинами (гидродинамический шум). При скоростях движения жидкости более 20 м/с наблюдается быстрый рост звукового давления (см. рис. 7).

Зависимость частоты излучения  генератора от скорости движения более сложная. Так, при скоростях движения жидкости менее 70 м/с наблюдается линейный рост частоты излучения генератора. Рост скорости движения от 70 до 80 м/с приводит к скачкообразному (почти в два раза) изменению звуковой частоты излучателя (см. рис. 8). Это подтверждается и результатами исследования.

Результаты, приведённые на рис. 7 и 8, получены при изучении генератора с параметрами D = 30 мм; L = 100 мм; d = 5 мм и числом входных отверстий n = 2.

Рис. 7. Зависимость амплитуды звукового давления от расхода     жидкости

 

 

2.2 Освоение скважин

 

 

Практика проектирования и строительства скважин не гарантирует получения их потенциально возможной продуктивности в связи с ухудшением фильтрационных свойств пород в ПЗП на стадии бурения, крепления, вторичного вскрытия, освоения и эксплуатации. Исследования скважин, проведённые после одного-трёх лет эксплуатации, показывают, что совпадение максимально достижимого (в отсутствие скин-эффекта) и фактического дебитов достигается только в 20 % скважин. В других случаях фактический дебит в 1,5  30 раз ниже максимально возможного, что связано с изменением проницаемости призабойной зоны. Наличие вокруг ствола скважины зоны ухудшенной проницаемости приводит не только к уменьшению дебита скважины и потере значительной части пластовой энергии по мере продвижения в пласте пластового флюида, но и к многократному снижению эффективности применения методов повышения нефтеотдачи пласта.

Из сказанного следует, что решение  проблемы повышения дебита скважин в первую очередь связано с улучшением фильтрационных свойств пород в ПЗП.

Существует довольно много методов воздействия на призабойную зон пласта. Это обработка ПЗП растворами поверхностно-активных веществ, растворами кислот, растворами кислот с переменным воздействием. Однако наиболее перспективным способом увеличения проницаемости ПЗП является её дренирование депрессией, что особенно важно при кислотных обработках скважин.

При дренировании пласта по мере удаления от забоя скважины скорость фильтрации уменьшается, что ограничивает глубину очистки ПЗП от кольматанта, т.е. эффективность очистки определяется прежде всего величиной депрессии, создаваемой в скважинном пространстве и зависящей от неё скорости движения жидкости в ПЗП.

Начиная с 1979 года для дренирования скважин стали широко использовать струйные аппараты (УОС) конструкции Ивано-Франковского института нефти и газа. Струйные аппараты на насосно-компрессорных трубах (НКТ) спускаются в скважину на расчётную глубину вместе с пакером и фильтромхвостовиком. С помощью насосных агрегатов (ЦА-320, ЦА-400 и др.), установленных у устья скважины, рабочая жидкость подаётся по НКТ к соплу струйному насоса. При истечении жидкости с большой скоростью (~ 200 м/с) из сопла в приёмной камере устройства и соответственно под пакером создаётся зона пониженного давления, вследствие чего жидкость эжектируется из-под пакерной зоны. В приёмной камере происходит смешение потоков рабочей и эжектируемой жидкостей. Смешанный поток поступает в диффузор и далее по затрубному пространству движется к устью скважины. Отбор жидкости из подпакерного пространства приводит к снижению давления в этой области, что и создаёт депрессию на пласт. После прекращения подачи рабочей жидкости к струйному насосу жидкость из затрубного пространства через диффузор, камеру (приёмную) смешения попадает в подпакерную зону, вследствие чего восстанавливается гидростатическое давление на пласт.

Недостатком описанного выше устройства является опасность достижения предельно допустимых значений величины депрессии, что может привести или к разрушению (смятию) обсадной колонны, или же к смыканию трещин при работе устройства в трещинных коллекторах.

Возможно повышение эффективности  работы УОС. Для этого надо лишь модулировать депрессию на пласт и уменьшить её абсолютную величину. На примере использования гидроимпульсного насоса показано, что совмещение депрессии со звуковой обработкой приводит к лучшей очистке ПЗП, поскольку в этом случае кольматирующие частицы не углубляются в пласт, а выносятся из него.

С этой целью в институте ПермНИПИнефть  разработано устройство для обработки  и освоения скважин (ЗУОС), которое представляет собой сочетание струйного насоса (например, УОС-1) и гидродинамического генератора (рис. 9). Устройство может работать в режиме нагнетания (при обработке ПЗП) при перекрытом межтрубном пространстве. Тогда через колонну НКТ 4, вертикальный канал 3 и излучатель 1 в призабойную зону подают рабочий агент.

При прохождении через излучатель 1 реагент испытывает пульсации скорости и давления, распространяющиеся в окружающую среду в виде звуковых волн. Звуковое поле, воздействуя на ПЗП, облегчает отмыв загрязнений со стенок скважины, поровых каналов и трещин в призабойной зоне. При освоении скважины её межтрубное пространство открывают. Рабочая жидкость под давлением подаётся во внутреннюю полость колонны труб 4. Часть жидкости через сопло 6 струйного насоса 5 поступает в камеру смешения 7, а другая часть жидкости через вертикальный канал 3 и излучатель 1 и далее через канал 9 вместе с пластовой жидкостью – в камеру смешения струйного насоса. Отсюда, ЗУОС создаёт в скважине пульсирующую депрессию, которая позволяет более эффективно и глубоко очистить ПЗП и увеличить приток нефти.