Скважинный акустический излучатель

 

Использование: в нефтедобыче для увеличения притока нефти и борьбы с отложениями солей в скважинах. Сущность изобретения: скважинный акустический излучатель содержит цилиндрический корпус с проемами, упругие пластины, размещенные напротив проемов с контурным зазором и установленные на внешней поверхности корпуса под углом к оси цилиндрического корпуса, элемент крепления к насосно-компрессорной трубе, установленный с одной стороны корпуса, и отбойник, установленный с другой стороны корпуса. Вдоль продольных частей упругих пластин размещены дополнительные пластины, установленные вплотную к упругим пластинам с возможностью их применения. Дополнительные пластины поджаты с внешней стороны металлическим полосками и выполнены из материала, акустическое сопротивление которого соизмеримо с акустическим сопротивлением озвучиваемой среды. 3 ил.

Изобретение относится к скважинным акустическим излучателям для акустического воздействия на горные породы, в частности на нефтяные пласты с целью увеличения притока нефти, и для борьбы с отложением солей в скважинах механизированного фонда со штанговыми насосами (ШГН).

Известен гидродинамический пластинчатый излучатель, содержащий корпус, мембрану-сопло, выполненное в виде прямоугольной щели в мембране, и вибрирующий элемент, установленный на некотором расстоянии от сопла [1].

Недостатками излучателя является малая акустическая мощность вследствие акустического замыкания в процессе излучения, неустойчивость pаботы в широком диапазоне давлений потоков жидкости и большой расход жидкости, прокачиваемой через излучатель. Излучатель не пригоден для использования в нефтяной промышленности в установках, содержащих штанговый гидродинамический насос, вследствие малых секундных расходов нефти, прокачиваемых через излучатель.

Известен многостержневой гидродинамический излучатель, содержащий отражатель, стержень, сопло-патрубок и контр- гайки [2].

Недостатком излучателя является малая акустическая мощность вследствие рефракции акустических волн вокруг стержней, являющихся элементарными полуволновыми вибраторами, и возникновения акустического короткого замыкания. Кроме того, для работоспособности излучателя требуются большой расход жидкости и давление между входом и выходом.

Наиболее близким к предлагаемому излучателю является скважинный акустический излучатель пластинчатого типа, содержащий цилиндрический корпус с размещенными на нем упругими пластинами, элементом крепления к насосно-компрессорной трубе, установленным с одной стороны корпуса, и отбойником с другой, каждая пластина установлена напротив проема в цилиндрическом корпусе с зазором по контуру с трех сторон, причем вертикальная ось этих пластин расположена под углом к оси цилиндрического корпуса [3].

Основным недостатком указанного излучателя является то, что наличие контурного зазора между кромками упругих пластин и проема в корпусе повышает расход прокачиваемой через излучатель нефти, а это ведет к уменьшению отдаваемой акустической мощности и радиуса акустической обработки околоскважинного пространства, а в итоге - к снижению эффективности работы. Кроме того, возможность засорения твердыми частицами контурного зазора приводит к выходу излучателя из строя и к снижению его надежности. Указанные недостатки можно продемонстрировать при рассмотрении формулы расхода нефти через колеблющуюся пластину Q = VS + (2 π f²)^-1(P_ac/2 π ρ)^0,5; (1) где V - скорость течения жидкости через зазор проема; S - площадь контурного зазора; f - частота, на которую настроен излучатель; π - 3,14; Р_а - акустическая мощность, развиваемая одной пластиной; с - скорость распространения звука в скважинной жидкости; ρ - плотность скважинной жидкости.

Постоянная составляющая потока жидкости VS полезной колебательной работы не совершает, а ее наличие приводит к уменьшению акустической мощности и снижению эффективности работы излучателя.

Изобретение направлено на повышение эффективности работы излучателя путем увеличения акустической мощности за счет уменьшения до минимума контурного зазора между кромками упругих пластин и проема в корпусе, а также на повышение надежности.

Для достижения указанного результата в излучателе, содержащем цилиндрический корпус с проемами, упругие пластины, размещенные напротив проемов с контурным зазором и установленные на внешней поверхности корпуса под углом к оси цилиндрического корпуса, элемент крепления к насосно-компрессорной трубе, установленный с одной стороны корпуса, и отбойник, установленный с другой стороны корпуса, вдоль кромок продольных частей упругих пластин на корпусе размещены дополнительные пластины, установленные вплотную к упругим пластинам с возможностью их перемещения, при этом дополнительные пластины поджаты с внешней стороны металлическими полосками и выполнены из материала, акустическое сопротивление которого соизмеримо с акустическим сопротивлением озвучиваемой среды.

На фиг.1 приведена конструкция скважинного акустического излучателя; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Скважинный акустический излучатель состоит из цилиндрического корпуса 1 с выполненными в нем проемами 2, на внешней поверхности корпуса 1 напротив проемов 2 прикреплены под углом 3-10^о к оси корпуса упругие пластины 3 с контурным зазором 4. Крепление упругих пластин к корпусу 1 осуществляется с помощью, например, заклепок. Упругие пластины выполнены из пружинистой стали, бронзы, титана и др. Упругих пластин 3 может быть более одной, число их определяется конструктивно диаметром корпуса и шириной пластин 3, представляющих собой четвертьволновые изгибные вибраторы. С торцов цилиндрического корпуса 1 размещены элемент крепления 5 к насосно-компрессорной трубе колонны (на чертеже не показана) и отбойник 6, являющийся одновременно акустически жестким экраном для звуковых колебаний, возбужденных упругими пластинами 3.

Пространство внутри корпуса 1 делится на части для размещения четырех пластин с помощью сердечника 7 в виде крестовины, выполненного из стали. При этом все пластины настраиваются на одну и ту же частоту для увеличения акустической мощности. По контурному зазору 4 размещены дополнительные пластины 8, выполненные из материала, акустическое сопротивление которого соизмеримо с акустическим сопротивлением нефти или скважинной среды. Они размещены вдоль кромки упругих пластин 3. В качестве материала дополнительных пластин 8 могут быть использованы маслобензостойкая резина, резинофторопласт, фторопласт и др. Для сохранения устойчивости во время работы дополнительные пластины 8 поджаты металлическими полосками 9 с помощью болтов или заклепок, а упругие пластины установлены так, что их торцы загораживают контурный зазор 4 в проеме 2. В верхней части упругих пластин 3 дополнительная пластина 8 из-за сохранения работоспособности устройства не устанавливается. Таким образом, исключается примерно 75-85% площади контурного зазора. Конструктивно дополнительные пластины 8 имеют одну степень свободы относительно торца гибких пластин 3, представляющие собой клапан. Свободная кромка дополнительных пластин 8 может перемещаться при перемещении кромки пластин 2, не допуская переток нефти через зазор 4.

Скважинный акустический излучатель работает следующим образом.

При наличии избыточного давления снаружи корпуса, которое возникает при подъеме из скважины с помощью штангового гидродинамического насоса (на чертеже не показан), нефть, преодолевая сопротивление пластины 3, отклоняет ее в проем 2 до тех пор, пока при отклоненной пластине возникает зазор между верхней кромкой пластины 3 и верхней поверхностью проема 2 в корпусе 1. Происходит переток нефти из скважины во внутреннее пространство корпуса 1. Давление снаружи корпуса уменьшается. Пластина 3 останавливается. Затем под действием упругости пластина возвращается назад против потока, останавливается и потом, подхваченная потоком нефти, снова совершает описанный цикл колебаний. Рабочая частота колебаний f пластины 3 будет определяться с учетом понижения частоты за счет присоединенной массы скважинной среды и равна f = 0,0891ТН^-2(E/ ρ ₁)^0,5, (2) где Т - толщины пластины; Н - длина пластины до места крепления на корпусе;
Е - модуль упругости материала вибрирующей пластины;
ρ₁ - плотность материала.

Это понижение по данным эксперимента может быть до 50-60% и зависит от физико-механических свойств нефти.

В скважине и околоскважинном пространстве возникает акустическое поле. Дополнительные пластины 8, введенные в конструкцию излучателя, сокращают контурный зазор, вследствие чего несовершающий колебательной работы расход нефти, поступающий через контурный зазор, уменьшается, а объемный расход нефти через колеблющиеся пластины возрастает. Акустическая мощность возрастает вследствие увеличения амплитуды колебаний пластины. Следовательно, радиус озвучиваемого околоскважинного пространства также возрастает. Это и приводит к увеличению притока нефти в скважину, что позволяет преобразовать формулу (1) следующим образом:
Q = 0,2VS + 1,8(2 π f²)^-1(P_ac/2 π ρ)^0,5 (3)
Наличие дополнительных пластин 8 уменьшает амплитуду колебаний основных пластин 3, поскольку акустическое сопротивление материала, из которого изготовлена дополнительная пластина, равно или соизмеримо с акустическим сопротивлением скважинной среды, т.е. пластина встречает при движении такое же механическое сопротивление, как и без дополнительных пластин.

Здесь выполняется основное правило работоспособности излучателя:
(ρ c)_f > ( ρ c)_s ≈ (ρ c)_p (4) где (ρ c)_f - акустическое сопротивление материала упругих пластин 3;
(ρ c)_s - акустическое сопротивление скважинной среды;
(ρ c)_p - акустическое сопротивление материала, из которого изготовлены дополнительные пластины 8;
ρ , с - соответственно плотность и скорость распространения звука.

Таким образом, введение в акустический излучатель дополнительных пластин, выполненных из материала с акустическим сопротивлением, соизмеримым акустическому сопротивлению скважинной среды, и установленных с минимальным контурным зазором, позволяет активизировать процесс озвучивания скважинной среды и тем самым значительно увеличить приток нефти в скважину. Использование опытных образцов предлагаемого излучателя на нефтяных скважинах Тюменской области России показали возможность увеличения притока нефти на 25-35% по сравнению с излучателем-прототипом.

Формула изобретения

СКВАЖИННЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, содержащий цилиндрический корпус с проемами, упругие пластины, размещенные напротив проемов с контурным зазором и установленные на внешней поверхности корпуса под углом к оси цилиндрического корпуса, элемент крепления к насосно-компрессорной трубе, установленный с одной стороны корпуса, и отбойник, установленный с другой стороны корпуса, отличающийся тем, что вдоль кромок продольных частей упругих пластин размещены дополнительные пластины, установленные вплотную к упругим пластинам с возможностью их перемещения, поджатые с внешней стороны металлическими полосками и выполненные из материала, акустическое сопротивление которого соизмеримо с акустическим сопротивлением озвучиваемой среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3