Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО С КОЛЬЦОМ ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для очистки стенок скважин и отверстий перфорации от твердых отложений, декольматации призабойной зоны пласта и увеличения подвижности пластовых флюидов.

Известен способ генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины (см. патент №96118034) при их промывке техническими жидкостями, при котором устанавливают на конце насосно-компрессорных труб (НКТ) гидродинамический генератор (ГГ), закачивают жидкость в НКТ, прокачивают жидкость через ГГ, генерируют колебания давления внутри ГГ и формируют волны давления за ГГ в затрубном пространстве скважины.

Добывающие нефтяные скважины периодически прочищают от твердых отложений на стенках и в отверстиях перфорации обсадной трубы, и устраняют засорение призабойной зоны (декольматируют), закачивая различные технические жидкости. При этом замечено, что наличие колебаний давления в закачиваемой жидкости способствует достижению лучшего результата.

Также давно известно, что закачка жидкости в продуктивный пласт на поздней стадии разработки увеличивает дебит добывающих скважин. Также известно, что создание колебаний давления в прилегающем участке пласта способствует выходу капиллярно защемленной нефти, декольматации призабойной зоны, что также приводит к увеличению дебита добывающих скважин. Закачку жидкости в продуктивный пласт осуществляют через несколько нагнетающих скважин, расположенных вокруг добывающей скважины.

Наиболее эффективны способы создания колебаний давления на забое скважины при помощи гидродинамических генераторов, устанавливаемых непосредственно в том месте, где они наиболее востребованы, т.е. на нижнем конце НКТ. Волны давления, генерируемые этими устройствами, достаточно быстро затухают, и поэтому желательно располагать их в непосредственной близости с объектом воздействия, а именно с отверстиями перфорации в обсадных трубах и призабойной зоной пласта.

При таком способе генерирования колебаний давления вся жидкость прокачивается через гидродинамический генератор, который тем или иным образом создает колебания давления в протекающей через него жидкости, распространяя свое воздействие на прилегающую область. Прокачиваемая жидкость затем поступает в пласт.

Жесткая конструкция струйных генераторов и отсутствие движущихся в процессе работы деталей является их достоинством.

Недостатком струйных генераторов является невозможность перенастроить их на иную частоту без существенного изменения всей конструкции.

Известен способ генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины, реализованный в устройстве (см. Morel Th. Экспериментальное исследование осциллятора Гельмгольца, управляемого струей. Перевод ВЦП № В-56251 из J. Fluid Engineering, 1979, 101, IX, №3, 383-390), наиболее близкий по технической сущности и взятый за прототип, при котором устанавливают на нижнем конце канала насосно-компрессорной трубы (НКТ) струйный генератор Гельмгольца (СГГ), представляющий собой полое тело вращения и состоящий из: цилиндрической камеры с двумя параллельными днищами; входного сопла, расположенного в центре одного днища; и выходного отверстия с острой кромкой, расположенного соосно входному соплу в центре другого днища; в котором входное сопло соединяют с каналом НКТ, а выходное отверстие направляют в затрубное пространство скважины, подают жидкость через входное сопло в цилиндрическую камеру, при этом формируют струю жидкости с возмущенной периферией в пространстве между днищами, направляют струю жидкости в выходное отверстие, генерируют таким образом первичные колебания давления в области острой кромки, усиливают первичные колебания давления в цилиндрической камере, частота собственных колебаний которой настроена в резонанс с частотой первичных колебаний давления, и формируют волны давления за выходным отверстием в затрубном пространстве скважины.

Струйные гидродинамические генераторы колебаний давления в потоке жидкости различаются конструктивно, но, как правило, включают в свой состав две основные части: струйный генератор и акустический резонатор, функционирующие относительно самостоятельно. Струйный генератор предназначен для преобразования кинетической энергии потока в колебательную энергию. Акустический резонатор предназначен для избирательного усиления колебаний давления определенной частоты.

Процесс генерации колебаний давления в потоке начинается, как правило, с разгона потока, поскольку амплитуда колебаний давления увеличивается с увеличением величины скоростного напора ρυ²/2 струи. Разгон потока осуществляется во входном сопле, которое кроме увеличения скорости служит еще для формирования струи той или иной формы: круглой, плоской, кольцевой. При вытекании через выходное отверстие струя задевает своей возмущенной периферией его острую внутреннюю кромку. Это производит небольшие локальные возмущения давления в области кромки. Камера-резонатор служит для усиления этих первичных колебаний давления.

Для усиления первичных локальных колебаний давления внутри камеры-резонатора необходимо согласование частоты произведенных колебаний давления с частотой собственных колебаний столба жидкости, заключенного в камере-резонаторе. Иными словами можно сказать так, что две части одного устройства должны быть настроены в унисон.

Недостатком способа генерирования волн давления в затрубном пространстве, взятого за прототип, является отсутствие возможности раздельной настройки частоты генерирования первичных колебаний давления на острой кромке и частоты собственных колебаний столба жидкости в камере-резонаторе.

Известно устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости (см. патент US 6029746), представляющее собой полое тело вращения и состоящее из камеры, содержащей входное сопло и выходное отверстие, расположенные соосно с некоторым интервалом.

Это устройство называют струйным генератором Гельмгольца (СГГ), или же струйным резонатором Гельмгольца (СРГ). В английском языке это название звучит как Jet driven Helmholtz oscillator (JDHO). Но в русском языке термин "осциллятор" используют, обычно, в радиоэлектронике.

Устройство состоит из двух относительно самостоятельных элементов. Входное сопло, струя жидкости и выпускное отверстие образуют собой струйный генератор колебаний давления, который функционирует и при отсутствии камеры-резонатора, хотя амплитуда генерируемых колебаний давления весьма невелика. Но если установить входное сопло и выходное отверстие внутрь настроенной камеры-резонатора, то амплитуда генерируемых колебаний давления многократно увеличится, хотя камера-резонатор станет усиливать столь же добросовестно любые колебания давления соответствующей частоты, приходящие извне.

Резонатор пассивен, он лишь откликается, т.е. усиливает колебания давления, созданные каким-то другим устройством, поскольку заключенный в нем столб жидкости почти неподвижен. Генератор активен, он сам создает колебания давления, поскольку в его составе имеется высокоскоростная струя, располагающая для этого запасом кинетической энергии.

Широко распространены различные скважные устройства, преобразующие частично давление подачи в колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в пласт. Наиболее подходящими устройствами для этой цели являются струйные генераторы, не имеющие подвижных деталей и преобразующие кинетическую энергию потока в колебательную энергию за счет формы канала. Устройство ввинчивается в нижний конец насосно-компрессорной трубы на забое нагнетательной скважины, и через генератор прокачивается вся подаваемая в пласт жидкость.

Недостатком устройства является то обстоятельство, что длина интервала между входным соплом и выходным отверстием является в тоже время и длиной камеры-резонатора, и раздельно их настраивать невозможно.

Известно устройство для генерирования волн давления на забое скважины (см. патент US 4041984), наиболее близкое по технической сущности и взятое за прототип, в виде струйного генератора Гельмгольца (СГГ), установленного на нижнем конце насосно-компрессорной трубы (НКТ), представляющего собой полое тело вращения и состоящего из: цилиндрической камеры с двумя параллельными днищами; входного сопла, расположенного в центре одного днища на оси цилиндрической камеры; и выходного отверстия с острой кромкой, расположенного соосно входному соплу на оси цилиндрической камеры в центре другого днища,

На нижнем конце насосно-компрессорной трубы (НКТ) смонтировано устройство, представляющее собой установленный в направлении "по-потоку" струйный генератор Гельмгольца, хотя в тексте патента он так не называется. Струйный генератор Гельмгольца представляет собой осесимметричное тело и состоит из: полой цилиндрической камеры с двумя днищами, в которых расположены входное сопло (в переднем "по-потоку" днище) и выходное отверстие (в заднем "по-потоку" днище). Устройство генерирует колебания давления в протекающем потоке закачиваемой в пласт жидкости и формирует на выходе волновое поле, распространяющееся в затрубном пространстве скважины и далее в призабойной зоне продуктивного пласта.

Одним из конструктивных параметров, определяющих частоту генерации первичных колебаний давления на острой кромке выходного отверстия, является величина интервала между входным соплом и выходным отверстием. Но, поскольку эти элементы связаны каждый со своим днищем, становится очевидным, что изменить величину интервала между входным соплом и выходным отверстием можно только при одновременном изменении расстояния между днищами. А это приводит к изменению величины объема камеры-резонатора, который является конструктивным параметром, определяющим частоту собственных колебаний камеры-резонатора.

Из этого следует, что существенным недостатком этого устройства является отсутствие возможности отдельно настраивать и согласовывать частоту генерации первичных колебаний давления и частоту собственных колебаний камеры-резонатора, а без этого резонанс невозможен.

Целью настоящего изобретения является:

а) формирование волн давления в затрубном пространстве скважины необходимой частоты за счет настройки необходимого интервала между входным соплом и выходным отверстием струйного генератора, и

б) формирование максимальной амплитуды за счет настройки необходимого расстояния между днищами и объема камеры-резонатора.

Технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования волн давления на забое скважины, при котором устанавливают на нижнем конце канала насосно-компрессорной трубы (НКТ) струйный генератор Гельмгольца (СГГ), представляющий собой полое тело вращения и состоящий из: цилиндрической камеры с двумя параллельными днищами; входного сопла, расположенного в центре одного днища; и выходного отверстия с острой кромкой, расположенного соосно входному соплу в центре другого днища; в котором входное сопло соединяют с каналом НКТ, а выходное отверстие направляют в затрубное пространство скважины, подают жидкость через входное сопло в цилиндрическую камеру, при этом формируют струю жидкости с возмущенной периферией в пространстве между днищами, направляют струю жидкости в выходное отверстие, генерируют таким образом первичные колебания давления в области острой кромки, усиливают первичные колебания давления в цилиндрической камере, частота собственных колебаний которой настроена в резонанс с частотой первичных колебаний давления, и формируют волны давления за выходным отверстием в затрубном пространстве скважины, устанавливают внутри цилиндрической камеры между днищами кольцо с острой внутренней входной кромкой, направляют струю жидкости в выходное отверстие таким образом, чтобы струя в пространстве между входным соплом и выходным отверстием протекала сквозь кольцо и задевала своей возмущенной периферией острую внутреннюю входную кромку кольца, и генерируют таким образом первичные локальные колебания давления в области кольца, а частоту собственных колебаний цилиндрической камеры настраивают в резонанс с основной частотой первичных колебаний давления.

В устройстве для генерирования волн давления на забое скважины в виде струйного генератора Гельмгольца (СГГ), установленного на нижнем конце насосно-компрессорной трубы (НКТ), представляющего собой полое тело вращения и состоящего из: цилиндрической камеры с двумя параллельными днищами; входного сопла, расположенного в центре одного днища на оси цилиндрической камеры; и выходного отверстия с острой кромкой, расположенного соосно входному соплу на оси цилиндрической камеры в центре другого днища, внутри цилиндрической камеры между днищами установлено на стойках кольцо с плоскими торцами и острой внутренней входной кромкой, причем кольцо установлено также на оси цилиндрической камеры, соосно входному соплу и выходному отверстию.

Кроме того, частоту собственных колебаний цилиндрической камеры настраивают в резонанс с частотой одной из высших гармоник первичных колебаний давления, а кольцо устанавливают с возможностью перемещения вдоль оси цилиндрической камеры.

Предложенный способ позволяет выполнить регулировку частоты первичных колебаний давления за счет настройки необходимого интервала между входным соплом и выходным отверстием, а также настроить в резонанс камеру-резонатор за счет установки необходимого расстояния между днищами камеры-резонатора, определяющего объем камеры и частоту ее собственных колебаний.

На рис. 1, изображена схема устройства с кольцом на радиальных стойках между днищами на оси камеры-резонатора.

Сущность предложенного изобретения состоит в следующем.

Для формирования волнового поля на забое скважин на нижнем конце насосно-компрессорной трубы устанавливают гидродинамический генератор колебаний давления в протекающем потоке жидкости. Наиболее эффективным устройством, служащим для преобразования энергии скоростного напора потока в колебательную энергию, является струйный генератор Гельмгольца (СГГ).

При прокачивании жидкости через это устройство, внутри камеры на выходе из входного сопла формируется струя, которая протекает в пространстве между днищами и вытекает наружу через выходное отверстие. При вытекании через выходное отверстие струя задевает своей возмущенной периферией острые края отверстия, и это порождает периодические локальные возмущения давления в прилегающем пространстве. Если частота образования этих возмущений давления совпадает с частотой собственных колебаний неподвижного столба жидкости, заключенного внутри камеры-резонатора, то амплитуда колебаний давления многократно увеличивается.

Можно обеспечить существенное увеличение амплитуды колебания давления в потоке, если установить генерирующую пару: питающее сопло-выпускное отверстие - в камеру-резонатор с частотой собственных колебаний, совпадающей с частотой генерации.

Предлагаемый способ основывается на использовании способности высокоскоростной струи жидкости генерировать слабые локальные колебания давления при натекании на препятствие с острой кромкой. В качестве генерирующей кромки может использоваться острый клин, отверстие с острой кромкой в пластине или же кольцо, установленное соосно струе.

Частота генерации при натекании струи на препятствие определяется скоростью струи W и длиной L_C ее свободного участка: f_G=Sh·W/L_C, где Sh - число Струхаля . Расход подаваемой жидкости и скорость прокачки определяются приемистостью пласта и поддерживаются неизменными в ходе ремонтных работ на скважине. Можно частоту генерации также настраивать за счет регулирования длины свободного участка струи, но в СГГ традиционной конструкции входное сопло и выходное отверстие выполняются в неподвижных днищах камеры-резонатора.

Объем камеры-резонатора рассчитывают таким образом, чтобы частота собственных колебаний, заключенного в ней столба жидкости, была равна частоте генерации первичных колебаний давления на острой кромке. Обычно, частота генерации первичных колебаний давления известна, это та самая величина, которая требуется нефтяникам для выполнения очистки ремонтируемой скважины. При известном перепаде давления между входным соплом и выходным отверстием устройства определяется длина струи и расстояние между днищами камеры-резонатора. После этого остается привести частоту собственных колебаний камеры-резонатора в соответствие с частотой генерации первичных колебаний давления. Для этого остается единственная возможность - изменять наружный диаметр камеры-резонатора. Для увеличения частоты собственных колебаний диаметр камеры следует уменьшать, а для уменьшения - увеличивать. Но изменение диаметра камеры допустимо лишь в незначительном интервале, поскольку камера установлена внутри обсадной трубы.

Частота собственных колебаний струйного резонатора Гельмгольца определяется из следующего выражения,

где с - скорость звука, S₁ - площадь проходного сечения входного сопла, L₁ - длина входного сопла, S₂ - площадь проходного сечения выходного отверстия, L₂ - длина выходного отверстия, - объем камеры, где D - диаметр камеры, причем интервал между днищами L в данном случае тождественен длине струи L_C.

В предлагаемом способе генерирования колебаний давления в потоке жидкости, прокачиваемой через струйный генератор Гельмгольца, заложена возможность настраивать частоту генерации первичных колебаний давления f_G на острой внутренней входной кромке кольца, при неизменной скорости струи W, за счет перемещения самого кольца вдоль оси струи и изменения длины струи L_C. При этом расстояние между днищами камеры-резонатора L можно изменять в широком интервале совершенно независимо от перемещения кольца внутри камеры между днищами. Это позволяет изменять объем камеры-резонатора V также в широком интервале для согласования частоты собственных колебаний камеры-резонатора f_c с частотой первичных колебаний давления на острой кромке f_G.

Устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины (см. фиг. 1) состоит из камеры-резонатора 1, представляющей собой стальную трубу, заглушенную с обоих торцев плоскими днищами, установленными параллельно друг другу и перпендикулярно оси камеры-резонатора. В первом (по-потоку) днище камеры установлено входное сопло 2, представляющее собой небольшой кусок трубы определенного проходного сечения с плавной входной кромкой и острой выходной кромкой плоского торца. Во втором (по-потоку) днище камеры выполнено выходное отверстие 3, представляющее собой просто сверление в плоском днище. Между днищами внутри камеры установлено на стойках 5 стальное кольцо 4 с острой входной внутренней кромкой. При этом входной торец кольца плоский, не заостренный.

Устройство установлено на нижнем конце НКТ и его входное сопло соединено с каналом НКТ, а выпускное отверстие направлено в затрубное пространство скважины.

Работает устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины следующим образом. При подаче в НКТ ремонтируемой скважины технической жидкости, вся подаваемая жидкость протекает через камеру-резонатор 1 струйного генератора Гельмгольца. Жидкость прокачивается через входное сопло 2 устройства, и при этом на выходе из устройства формируется осесимметричная струя с возмущенной периферией. От острой выходной кромки входного сопла отрываются с равными интервалами вихреподобные кольцевые структуры, подобно каплям, падающим с носика крана в ванной комнате, увлекаются струей и ударяются в своем движении об острую кромку кольца 4. Внутренний диаметр кольца составляет 1,2…1,4 диаметра сопла. Кольцо устанавливается на оси камеры на стойках 5. Далее струя вытекает через выходное отверстие 3 в затрубное пространство скважины.

При протекании через СГГ в потоке жидкости генерируются колебания давления, которые распространяются в виде упругих волн через выпускное отверстие дальше, в кольцевое затрубное пространство скважины и еще дальше в призабойную зону пласта.