Способ и устройство для генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с постоянной частотой генерации при изменяющемся пластовом давлении

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов. Представлен способ генерирования волнового поля на забое нагнетающей скважины и настройки струйного резонатора Гельмгольца на поддержание постоянной частоты колебаний давления в потоке жидкости, нагнетаемой в пласт, при изменении пластового давления. Способ заключается в автоматическом регулировании площади проходного сечения выходного отверстия в соответствии с изменением пластового давления. Это необходимо для поддержания постоянной скорости струи на срезе сопла, определяющей частоту генерации, для обеспечения стабильно высокого коэффициента усиления. Новым является установка в выходном отверстии струйного резонатора Гельмгольца (СРГ) подвижного конического золотника с гидроприводом, обеспечивающим автоматическое перемещение золотника при изменении перепада давления на устройстве. Техническим результатом является повышение эффективности поддержания постоянной частоты тона отверстия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для увеличения подвижности пластовых флюидов.

Известен способ генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины (см.патент №2122109), при котором формируют колебания давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по НКТ, прокачивая жидкость через струйный резонатор.

Капли нефти и воды - флюиды, заполняющие капилляры продуктивного нефтяного пласта, обладают малой подвижностью вследствие ряда причин. Их перемещение по пласту к добывающей скважине ускоряют, пробуривая вокруг нее несколько нагнетательных скважин, по которым под большим давлением закачивают в продуктивный пласт различные технические жидкости. Нефтяниками давно замечено, что закачивание технических жидкостей в пласт толчками способствует лучшему выходу флюидов через добывающую скважину. Для генерации колебаний давления в потоке закачиваемой жидкости используют специальное устройство - струйный резонатор, преобразующее кинетическую энергию потока в колебательную энергию.

По нагнетательным скважинам в продуктивный пласт подают жидкость: воду, воздух, пар, химреагенты. В скважины опущены насосно-компрессорные трубы, на нижнем конце которых смонтирован струйный резонатор. Подаваемая в продуктивный пласт жидкость прокачивается через струйный резонатор, который возбуждает в потоке колебания давления. Эти колебания давления распространяются во все стороны в виде акустических волн, формируя на забое скважины волновое поле (см. патент №2122109).

Также известен способ генерирования колебаний давления в потоке протекающей жидкости, реализованный в струйном резонаторе (см. патент №2077960) путем прокачивания жидкости через струйный резонатор с входным соплом, резонирующей камерой и выходным отверстием с острыми кромками, в котором размер резонирующей камеры, а также расстояние между соплом и отверстием согласовано со скоростью струи на срезе сопла.

Задают определенный расход жидкости, размер резонирующей камеры и расстояние между соплом и выходным отверстием, и выполняют площадь проходного сечения сопла такой величины, чтобы скорость струи и частота генерации, при этом, соответствовала частоте собственных колебаний резонатора. Площадь проходного сечения выходного отверстия выполняют несколько превышающей площадь сопла.

Закачиваемую в скважину жидкость подают через входное сопло и формируют струю, направленную на острую кромку выходного отверстия. При этом в прилегающей к острой кромке области возбуждаются локальные возмущения давления, называемые тоном отверстия, амплитуда которых невелика. Если же скорость струи подобрана таким образом, что частота тона отверстия совпадает с собственной частотой камеры струйного резонатора, то наступает резонанс, и амплитуда колебаний тона отверстия многократно возрастает.

Недостатком данного способа является невысокий коэффициент усиления тороидального резонатора.

Известен способ генерирования колебаний давления в потоке протекающей жидкости, реализованный в струйном резонаторе Гельмгольца (см. статью Morel Th. Экспериментальное исследование осциллятора Гельмгольца, управляемого струей. Перевод ВЦП №В-56251 из J.Fluid Engineering, 1979, 101, IX, №3, 383-390), включающий создание колебаний давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорной трубе (НКТ), путем ее прокачивания через струйный резонатор Гельмгольца (СРГ), установленный внутри НКТ на забое скважины, при котором, формируют внутри СРГ струю жидкости с развитой нестабильностью, направляют струю с постоянной скоростью на острую кромку выходного отверстия, возбуждают в области кромки локальные возмущения давления постоянной частоты, усиливают их амплитуду в резонаторе, обеспечивают распространение колебаний давления далее в пласт вместе с потоком жидкости.

Поскольку проходная площадь сопла постоянна, то скорость струи на срезе сопла определяется величиной перепада давления на устройстве и при постоянном расходе прокачиваемой жидкости определяющим параметром становится величина пластового давления. Пластовое давление это фактически противодавление для потока внутри сопла. Увеличивается пластовое давление - скорость струи уменьшается, и наоборот. При изменении скорости струи, натекающей на острые кромки выпускного отверстия, изменяется и частота тона отверстия, несмотря на то, что камера резонатора имеет определенную частоту собственных колебаний. При отклонении частоты тона отверстия от частоты собственных колебаний резонатора амплитуда генерации уменьшается.

Недостатком данного способа является узкий рабочий диапазон изменения расхода жидкости и скорости струи.

Известно устройство, ближайшее по технической сущности и взятое за прототип, (см. Experimental Study of a Jet-Driven Helmholtz Oscillator, J.Fluids Eng., September 1979, Volume 101, Issue 3,p.383, doi: 10. 1115/1.3448983, Перевод ВЦП №В-56251 из J.Fluid Engineering, 1979, 101, IX, №3, 383-390.), состоящее из струйного резонатора Гельмгольца (СРГ), установленного внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) и представляющего собой полую цилиндрическую камеру с плоскими днищами, в переднем днище которой размещают входное сопло, а в заднем днище выполняют выходное отверстие с острыми кромками.

Струйный резонатор Гельмгольца представляет собой два плоских параллельных днища, между которыми зажата обечайка. Обычно обечайку выполняют цилиндрической формы, но бывают обечайки квадратного сечения. При этом во входном плоском днище организовано круглое входное сопло, которое может выступать внутрь камеры, а в противоположном, выходном плоском днище выполнено круглое выходное отверстие с острыми кромками. Сопло и выходное отверстие выполняются соосными по отношению друг к другу, и располагаются на оси цилиндрической обечайки.

Струйный резонатор Гельмгольца представляет собой двуединое устройство, объединяющее конструктивно в одном корпусе два самостоятельных устройства: струйный генератор колебаний давления в прокачиваемой жидкости и акустический резонатор.

Акустический резонатор представляет собой обечайку, в форме полого цилиндра, с двумя параллельными днищами. В переднем (по направлению потока) днище установлено питающее сопло, представляющее собой втулку, через которую внутрь резонатора подается жидкость. В выходном днище выполнено выпускное отверстие с острыми краями, через которое жидкость удаляется из резонатора. Питающее сопло и выпускное отверстие расположены на оси обечайки резонатора. Этот комплекс, состоящий из сопла - струи - отверстия, и есть струйный генератор.

Струйный генератор: сопло - струя - отверстие, формирует локальные возмущения давления в области острой кромки выходного отверстия вне зависимости от наличия резонатора в окружающем пространстве. Столб жидкости, заключенный в резонаторе, отвечаем за преобразование частотного спектра распространяющейся в нем акустических волн, с усилением гармоники, соответствующей частоте собственных колебаний столба. Но без отражения падающих волн работа резонатора прекратится. Из этого следует, что усиление волн в цилиндре происходит главным образом в направлении вдоль потока, между торцевыми параллельными днищами. При распространении в поперечном направлении, при отражении от цилиндрической обечайки, волны рассеиваются.

Струя жидкости, сформированная во входном сопле, при вытекании из камеры резонатора задевает своей периферией острые кромки выпускного отверстия. При этом генерируются локальные возмущения давления, распространяющиеся во все стороны в виде акустических волн многих частот. Это так называемый тон отверстия. Амплитуда локальных возмущений давления невелика, но если их частота совпадает с частотой собственных колебаний резонатора, то наступает резонанс, и амплитуда генерации увеличивается на порядки.

Частота тона отверстия прямо пропорциональна скорости струи W и обратно пропорциональна расстоянию между входным соплом и выпускным отверстием L, F~W/L. Если расстояние между ними L неизменно, то скорость струи W должна быть строго определенной, иначе резонанс невозможен. Из этого следует, что существует некоторый интервал величины скорости потока, определяемый добротностью резонатора, внутри которого наступает резонанс. Наибольшее усиление амплитуды тона отверстия происходит на частоте собственных колебаний резонатора, но при отклонении скорости струи на допустимую величину, амплитуда колебаний все равно увеличивается, правда с меньшим коэффициентом усиления.

Недостатком струйного резонатора Гельмгольца, взятого за прототип, является невозможность поддержания постоянной частоты тона отверстия при изменении пластового давления для согласования с частотой собственных колебаний резонатора и поддержания резонансного режима при изменении перепада давления на устройстве.

Технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с автоматической настройкой постоянной частоты генерации, включающем создание колебаний давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорной трубе (НКТ), путем се прокачивания через струйный резонатор Гельмгольца (СРГ), установленный внутри НКТ на забое скважины, при котором формируют внутри СРГ струю жидкости с развитой нестабильностью, направляют струю с постоянной скоростью на острую кромку выходного отверстия, возбуждают в области кромки локальные возмущения давления постоянной частоты, усиливают их амплитуду в резонаторе, обеспечивают распространение колебаний давления далее в пласт вместе с потоком жидкости, постоянство частоты возбуждения колебаний давления, при натекании струи на острую кромку выходного отверстия, обеспечивают путем стабилизации скорости струи за счет автоматического регулирования площади проходного сечения выходного отверстия.

В устройстве, состоящем из струйного резонатора Гельмгольца (СРГ), установленного внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) и представляющего собой полую цилиндрическую камеру с плоскими днищами, в переднем днище которой размещают входное сопло, а в заднем днище выполняют выходное отверстие с острыми кромками, внутри выходного отверстия установлен подвижный конический золотник на штоке, а внутри НКТ, за СРГ, установлен неподвижно гидроцилиндр с подпружиненным поршнем, соединенным штоком с коническим золотником, причем полость внутри гидроцилиндра перед поршнем, в направлении по потоку, сообщена с внутренним объемом НКТ, а полость за поршнем соединена с затрубным пространством.

Предложенный способ позволяет поддерживать постоянную частоту генерации колебаний давления на забое нагнетающей скважины, равную частоте собственных колебаний резонатора, за счет согласования площади проходного сечения выходного отверстия с величиной пластового давления, при генерации колебаний давления в потоке протекающей жидкости, и обеспечивать максимальный коэффициент усиления.

На рис.1 представлена схема струйного резонатора с автоматическим регулированием площади проходного сечения выходного отверстия и гидроприводом.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В отечественной технической литературе это комбинированное устройство называют по имени той его части, которая больше привлекает внимание автора. Струйный генератор или же струйный резонатор. Хотя, если говорить о резонаторе, то резонатор, все-таки акустический, а никак не струйный. Вот генератор - струйный. В генераторе работает струя. А резонатор имеет дело с акустической волной. Эта же ошибка сделана и в переводе статьи Т.Мореля, из которой взят прототип. В иностранной технической литературе это устройство именуют осциллятором, но в русском языке понятие “осциллятор” чаще употребляется в электронике.

Не следует забывать, что резонирует не корпус резонатора, а столб жидкости, заключенный внутри него, хотя корпус, конечно, тоже звучит, но его частота собственных колебаний, обычно, существенно ниже. 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.

Обычно габаритные размеры струйного резонатора Гельмгольца неизменны. Максимальное усиление резонатором тона отверстия достигается на строго определенной скорости потока, замеренной на срезе сопла. Однако, уменьшение пластового давления приводит к увеличению скорости струи, и частота тона отверстия также возрастает при этом, а при увеличении пластового давления - уменьшается.

Для согласования скорости струи и частоты тона отверстия с объемом резонатора и частотой его собственных колебаний при естественном изменении пластового давления, предлагается организовать в выходном отверстии регулируемый дроссель, за счет которого можно изменять скорости струи: при естественном увеличении пластового давления следует открывать дроссель, а при уменьшении пластового давления -прикрывать. При увеличении скорости струи увеличивается частота тона отверстия, и для обеспечения максимального усиления следует частоту тона отверстия понизить до частоты собственных колебаний резонатора, для чего следует уменьшить площадь проходного сечения дросселя. И наоборот: при уменьшении скорости струи также уменьшается частота тона отверстия и следует увеличить приходное сечение дросселя для поддержания частоты тона отверстия на частоте собственных колебаний резонатора. Стабилизация частоты генерации позволяет обеспечить еще и максимальный коэффициент усиления.

Дроссель это устройство, предназначенное для создания регулируемого гидравлического сопротивления потоку жидкости. Дополнительное гидравлическое сопротивление создается за счет изменения проходного сечения потока жидкости (Википедия). В предлагаемой конструкции предлагается организовать дросселирование потока путем установки в выходном отверстии конического золотника, имеющего возможность перемещаться и изменять, таким образом, проходное сечение выходного отверстия. Стенки отверстия выполняют функцию седла вентиля, к которому прижимается подвижный золотник.

При увеличении пластового давления нужно приоткрыть выходное отверстие и уменьшить величину местного гидравлического сопротивления для обеспечения увеличения скорости струи. И наоборот - при уменьшении пластового давления следует немного закрыть выходное отверстие за счет перемещения золотника внутрь отверстия и уменьшить таким образом площадь проходного сечения для увеличения местного гидравлического сопротивления и уменьшения скорости струи.

Для автоматической настройки резонатора в насосно-компрессорной трубе НКТ, за резонатором (по направлению потока), устанавливают гидроцилиндр с поршнем, соединенным штоком с коническим золотником. Поршень разделяет гидроцилиндр на две камеры, задняя сообщается с затрубным пространством, а передняя соединена с внутренние объемов HKТ.

При расчетной величине пластового давления и расчетном перепаде давления на резонаторе поршень занимает положение в середине гидроцилиндра. При увеличении давления внутри НХТ за резонатором, перепад давления на резонаторе уменьшается, и скорость струи также уменьшается. Увеличение давления в НКТ за резонатором приведет к увеличению давления в передней камере гидроцилиндра перед поршнем и заставит поршень переместиться в сторону меньшего давления и потянуть за собой золотник. Увеличение давления в НКТ за резонатором перемещает поршень гидроцилиндра и золотник для увеличения проходного сечения выходного отверстия. Это приводит скорость струи в соответствие с ее расчетным значением, а частоту генерации тона отверстия с частотой собственных колебаний резонатора.

Струйный резонатор, предназначенный для возбуждения волнового поля на забое нагнетательной скважины, включает в себя камеру, состоящую из цилиндрической обечайки 1 (см. рис.1) с плоскими днищами на обоих торцах. В переднем (по направлению потока) днище 2 установлено сопло 3, представляющее собой втулку с закругленными краями на входе. В заднем днище 4 выполнено выходное отверстие с острыми входными кромками. Внутри выходного отверстия установлен клиновидный золотник 5 с возможностью перемещения вдоль продольной оси резонатора.

За струйным резонатором установлен неподвижно гидроцилиндр 7 с поршнем, который соединен штоком 6 с золотником. В стенке гидроцилиндра выполнены два отверстия. При помощи одного отверстия "А" внутренний объем гидроцилиндра сообщается с внутренним объемом НКТ, а при помощи другого "В" - с затрубным пространством. Поршень изначально устанавливается между этими отверстиями, и после установки перемещение поршня ограничивается двумя винтами. Для компенсации постоянного перепада давления поршень подпружинен. Жесткость пружины и длину штока следует подбирать таким образом, чтобы при расчетном перепаде давления положение поршня соответствовало расчетному положению золотника, при котором проходное сечение выходного отверстия также является расчетным.

Работает струйный резонатор с автоматической настройкой следующим образом. Жидкость подается под определенным давлением по НКТ на забой скважины, где в трубе установлен струйный резонатор. Жидкость поступает в струйный резонатор через входное сопло, и вытекает из него через выпускное отверстие. При этом на срезе сопла формируется струя с определенной скоростью, которая далее задевает своей периферией острую кромку отверстия, и, вследствие этого, в прикромочной области формируются локальные возмещения давления малой амплитуды, которые распространяются вокруг в виде акустической волны определенной частоты.

Поскольку частота распространяющейся в резонаторе акустической волны соответствует частоте собственных колебаний столба жидкости, заключенной внутри резонатора, то амплитуда колебаний давления в потоке жидкости многократно увеличивается. Далее упругая волна через перфорацию в НКТ подается в продуктивный пласт и заставляет колебаться флюиды в поровом пространстве.

При увеличении величины противодавления за струйным резонатором, перепад давления на устройстве уменьшается, что приводит к уменьшению скорости струи и уменьшению частоты тона отверстия. При этом увеличение давления внутри НКТ за струйным резонатором заставит переместиться поршень гидроцилиндра в направлении от струйного резонатора и вытолкнуть золотник из отверстия, что приведет к увеличению площади выходного отверстия и, соответственно, увеличению скорости струи и далее - частоты гона отверстия до величины, соответствующей частоте собственных колебаний резонатора. Струйный резонатор станет снова работать в согласованном режиме с максимальным коэффициентом усиления.

При уменьшении величины противодавления за струйным резонатором все произойдет наоборот - скорость струи увеличится, частота тона отверстия тоже увеличится, но уменьшение давления за струйным резонатором заставит переместиться поршень гидроцилиндра ближе к резонатору и задвинуть золотник в выходное отверстие. Это приведет к уменьшению площади выходного отверстия и увеличению местного гидравлического сопротивления и, соответственно, уменьшению скорости струи и уменьшению частоты тона отверстия до величины, соответствующей частоте собственных колебаний резонатора и настроит его работу с максимальным коэффициентом усиления.

1. Способ генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с постоянной частотой генерации при изменяющемся пластовом давлении, включающий создание колебаний давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорной трубе (НКТ), путем ее прокачивания через струйный резонатор Гельмгольца (СРГ), установленный внутри НКТ на забое скважины, при котором формируют внутри СРГ струю жидкости с развитой нестабильностью, направляют струю с постоянной скоростью на острую кромку выходного отверстия, возбуждают в области кромки локальные возмущения давления постоянной частоты, усиливают их амплитуду в резонаторе, обеспечивают распространение колебаний давления далее в пласт вместе с потоком жидкости, отличающийся тем, что постоянство частоты возбуждения колебаний давления, при натекании струи на острую кромку выходного отверстия, обеспечивают путем стабилизации скорости струи за счет автоматического регулирования площади проходного сечения выходного отверстия.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, состоящее из струйного резонатора Гельмгольца (СРГ), установленного внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) и представляющего собой полую цилиндрическую камеру с плоскими днищами, в переднем днище которой размещают входное сопло, а в заднем днище выполняют выходное отверстие с острыми кромками, отличающееся тем, что внутри выходного отверстия установлен подвижный конический золотник на штоке, а внутри НКТ, за СРГ, установлен неподвижно гидроцилиндр с подпружиненным поршнем, соединенным штоком с коническим золотником, причем полость внутри гидроцилиндра перед поршнем, в направлении по потоку, сообщена с внутренним объемом НКТ, а полость за поршнем соединена с затрубным пространством.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выходное отверстие выполнено расширяющимся в направлении по потоку.