Способ интенсификации добычи нефти
Использование: в области нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при механизированном способе добычи нефти. Обеспечивает увеличение притока нефти из призабойной зоны пласта акустическим воздействием ультразвукового диапазона частот, с дегазацией нефти. Сущность изобретения: по способу в скважину спускают насосно-компрессорные трубы. На них спускают генератор звуковых колебаний, например, насос спускают акустическое устройство в виде резонатора-генератора звука. Насосом возбуждают колебания звука. Звуковые колебания трансформируют акустическим резонатором-генератором звука. Его размещают на забое скважины. Трансформирование им звуковых колебаний осуществляют трансформированием волн низких частот в область высоких частот ультразвукового диапазона. Ими производят дегазацию нефти с последующим уменьшением ее вязкости и ростом дебита скважины. 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности может быть использовано при механизированном способе добычи нефти.
Известен способ интенсификации добычи нефти, например, снижение гидростатического давления (депрессией) в скважине до оптимальной величины с одновременным контролем нефти по эмиссионным и фильтрационным составляющим акустического звука в зоне притока [1]. Недостаток данного способа заключается в том, что при изменении депрессии на пласт (во время поиска оптимального гидростатического давления) в около скважинной зоне пласта с понижением перового давления возрастает величина эффективного давления на скелет породы, равного разности между горным и поровым, которая упруго деформирует скелет породы, уменьшая пористость и проницаемость пласта. В случае снижения давления ниже оптимального дебит скважины уменьшается за счет хрупко пластического уплотнения порово-трещинных каналов и не восстанавливается при выравнивании гидростатического давления и первоначально установленному оптимальному значению, т.к. неупругие деформации породы пласта необратимы. Наиболее близким по технической сущности является способ интенсификации добычи нефти, включающий спуск в скважину насосно-компрессорных труб, генератора звуковых колебаний, например, насоса на насосно-компрессорных трубах акустического устройства, в виде резонатора-генератора звука, возбуждение насосом колебаний звука и трансформирование акустическим резонатором-генератором звука звуковых колебаний [2]. Недостаток данного способа заключается в том, что при трансформировании акустическим резонатором-генератором звука звуковых колебаний отсутствует область высоких частот ультразвукового диапазона, которыми можно осуществлять дегазацию нефти с последующим уменьшением вязкости и роста дебита скважины. Задачей изобретения является увеличение притока нефти из призабойной зоны пласта акустическим воздействием ультразвукового диапазона частот, которые производили бы дегазацию нефти. Решение задачи достигается тем, что акустический резонатор-генератор звука размещают на забое скважины, а трансформирование им звуковых колебаний осуществляет трансформированием волн низких частот в область высоких частот ультразвукового диапазона, которыми производят дегазацию нефти с последующим уменьшением ее вязкости и ростом дебита скважины. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе осуществляют акустическим резонатором-генератором звука трансформацию волн низких частот из спектра звука, присутствующего в призабойной зоне скважины, в высокие частоты ультразвукового диапазона для воздействия на параметры нефти, в частности, на уменьшение вязкости путем ультразвуковой дегазации. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "Новизна". Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что воздействие на призабойную зону с целью интенсификации добычи нефти акустическим излучением известен [2]. Однако неизвестно, что с помощью акустического резонатора-генератора звука можно осуществлять ультразвуковую дегазацию уменьшая тем самым вязкость и увеличивать приток нефти. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Предложенное решение может быть неоднократно использовано на любых скважинах при различных механизированных способах добычи нефти. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость". Основные положения физической сущности способа для интенсификации добычи нефти. 1. Воздействие акустического поля на выделение газа из жидкости. Звуковые колебания, излученные в жидкую среду, создают акустическое поле, которое изменяет характеристику среды и происходящие в ней процессы. Так, изменяется скорость, коэффициент затухания и т.д. Помимо этого, в среде происходят такие процессы, как кавитация, дегазация, возникают акустические потоки и т.п. Значение интенсивности акустического поля, необходимое для воздействия на среду, существенно зависит от его исходного термодинамического состояния. Для того, чтобы перевести систему из состояния устойчивого термодинамического равновесия в новое стационарное состояние, требуется огромная энергия внешнего воздействия. Если же система находится в состоянии, близком к термодинамической неустойчивости (метастабильном состоянии), то внешнее воздействие даже малой интенсивности способно перевести ее в качественно новое состояние. Система приходит в состояние неустойчивости тогда, когда значение какого-либо характеристического параметра (например, давление, температура) близко к критическому. Поэтому энергетически наиболее выгодно осуществлять воздействие на систему, находящуюся в метастабильном состоянии. Результаты воздействия в значительной мере определяются соотношением между энергией воздействия и энергией, необходимой для перехода системы в качественно новое состояние. Воздействие акустического поля на жидкость описывают с помощью явлений: дегазации и кавитации. Они ускоряют фазовые переходы, влияют на теплообмен и диффузию и т.п. Механизм акустической дегазации или кавитации основан на наличии в жидкости мельчайших пузырьков-зародышей, а также их распределения по размерам могут быть весьма различными. Они определяют реальную "дефектную" структуру жидкости и тем самым пороговые значения растягивающих усилий, необходимых для "разрыва" жидкости и образования пузырька-каверны. В акустическом поле различные пузырьки-зародыши являются центрами "перекачки" газа из жидкости в пузырек. Практически всякая жидкость содержит газ в растворимом виде и в виде пузырьков. В нефти, например, при атмосферном давлении и температуре 20oC находятся от 2 до 10% углеводородных газов [3]. С увеличением давления растворимость газов в воде и нефти возрастает. Распространение акустического поля в жидкости с мелкими пузырьками могут вызвать его выделение - дегазацию. Стенки пузырька начинают колебаться, жидкость вокруг приходит в движение, а сам пузырек перемещается в область пониженного давления. В зависимости от газонасыщенности и свойств жидкости, а также интенсивности и частоты акустического поля пузырьки могут пульсировать около своего равновесного размера: они могут также расти и растворятся либо, увеличившись до наибольшего размера, охлопываться. Мелкие пузырьки способны коалесцировать под действием сил притяжения Бьеркнеса и радиационного давления, образовавшиеся большие пузырьки могут всплывать. В работе [3] показано, что в акустическом поле интенсивностью 8 - 10 кВт/м2 при частоте 5 - 20 кГц экспериментально наблюдается изменение сдвиговой вязкости нефтей (снижение вязкости жидкости в акустическом поле объясняют ее частичным нагревом за счет поглощения упругой энергии и разрывом связей у отдельных макромолекул при кавитации). Обычно вязкость жидкости после акустического воздействия сначала снижается на 20-30%, а в последующем либо восстанавливается (в докавитационном и слабо кавитационном режиме), либо не восстанавливается (в развитом кавитационном режиме) [3]. Такие параметры, т. е. акустическое поле интенсивностью 8 -10 кВт/м2 с частотой 18 - 25 кГц можно получить специальным акустическим резонатором-генератором звука (например, резонатором Гельмгольца) для интенсификации добычи нефти. Кроме того генератор не нуждается в электрической энергии или энергии потока жидкости (газа). Он работает на энергии упругих колебаний фильтрационных шумов флюида и упругих колебаний погружной установки (глубинного электроцентробежного насоса, спущенного в скважину на насосно-компрессорных трубах) частота которых распространяется до забоя. 2. Резонатор Гельмгольца. Резонатор Гельмгольца - это сосуд, соединяющийся с внешней средой через небольшое отверстие или трубку. Характерной особенностью резонатора является способность совершать низкочастотные собственные колебания, длина которых значительно больше размеров резонатора. Согласно теории, развитой Гельмгольцем и Рэлеем, акустический резонатор рассматривается как колебательная система с одной степенью свободы. В первом приближении можно считать, что кинетическая энергия сосредоточена в слое среды, движущейся в трубке, называемой горлом акустического резонатора, подобно жесткому поршню, а потенциальная энергия связана с упругой деформацией среды заключенного в объеме. Тогда собственная частота акустического резонатора не зависит от формы сосуда и формы поперечного сечения трубы и выражается формулой [4]





где K =


Vо - объемная скорость, создаваемая резонатором при воздействии на него падающего поля Pо:
h - диаметр волновода;

Величину Vо и, следовательно, поле P(x, z) находят, используя уравнение вынужденных колебаний резонатора под действием поля Pо(x, z). Это уравнение имеет вид
Mz




где М - эффективная масса (масса жидкости в горле резонатора плюс присоединенная масса);
а - ширина горла;

rо - сопротивление трения;
r - сопротивление излучения. Величина r определяется по формуле

где N - число нормальных волн, распространяющихся в волноводе (кроме нулевой волны). Решение уравнения (4) представляется в виде

где R = (rо + r);
tg




Объемная скорость Vо записывается в виде

Если частота звука совпадает с собственной частотой резонатора (





Таким образом, рассеянное поле P(x,z) получается из формулы (3) и (8)

где амплитуда An нормальных волн вычисляется по формуле

Из этих формул следует
1. Амплитуда рассеянных вперед и назад нормальных волн одинаковы. 2. Из формулы (10) видно, что возбуждение нормальных волн в волноводе не зависит от номера q падающей волны. Это объясняется тем, что резонатор реагирует лишь на давление, а давление, создаваемое падающей волной на жесткой стенке волновода, зависит только от амплитуды этой волны. 3. Поскольку амплитуда An обратно пропорциональна величине




где f - частота рассеянной волны;
f0 - частота первичной волны;
M=v/c число Маха при движении препятствия;
v - скорость препятствия;
с - скорость волны;









где n - число последовательных величин;
Li - интенсивность звука в заданной полосе частот. Исходные данные для расчета. 1. Диапазон рассеиваемых частот 1 - 10 кГц. 2. Ширина полосы частот 25 Гц. 3. Интенсивность звука 120 дБ /средняя интенсивность звука по суммарным частотам спектра шума (суммарный спектр шума от источников - фильтрационных шумов и шумов погружного центробежного электронасоса со всеми гармониками). Результаты расчета. Суммарный уровень звука составляет 159 дБ или что соответствует интенсивности 8 кВт/м2. Таким образом, для создания акустической дегазации необходимая интенсивность (8 кВт/м2) достигается суммарной рассеивающей энергией частот шума в полосе 1 - 10 кГц с трансформацией в область ультразвука (20 - 25 кГц). 5. Расчет ослабления звука. Расчет ослабления звука, генерируемого погружной установкой (глубинным электроцентробежным насосом), на расстоянии 2000 м (при условии, что глубинный электроцентробежный насос спущен в скважину на глубину 1000 м и находится от забоя на расстоянии 2000 м). Исходные данные. 1. Третьоктавный спектр насоса на стороне нагнетания [8]
f - 500 Гц, уровень звука 120 дБ;
f - 1 кГц, уровень звука 120 дБ;
f - 2 кГц, уровень звука 120 дБ;
f - 4 кГц, уровень звука 1 15 дБ;
f - 8 кГц, уровень звука 1 10 дБ. 2. Скорость звука в нефти [9]
с - 1350 м/с. 3. Плотность нефти [10]



r = 2000 м. Расчетные формулы. 1. Коэффициент затухания звука [11]




2. Ослабление звука на расстоянии [11]. G =

где f - частота, Гц;






2. Частота f2 = 1 кГц,



3. Частота f3 = 2 кГц,



4. Частота f4 = 4 кГц,



5. Частота f5 = 8 кГц,



1. Воздействием акустическим полем на нефть интенсивностью звука 8 - 10 кВт/м2 и частотой 20 кГц (в нефти всегда присутствуют: растворимый газ, кавитационные зародыши и метастабильность) осуществляют ультразвуковую дегазацию и снижение сдвиговой вязкости нефти. 2. Использованием, например, резонатора Гельмгольца, генерируемого интенсивность звука 8 - 10 кВт/м2 и частоту 18 - 25 кГц. 3. Применением явления (резонатора Гельмгольца) трансформации (рассеивания) волн низких частот (1 - 10 кГц) в волны высоких частот (18-25 кГц). 4. Использованием явления (колеблющейся массы в горле резонатора) доплеровского сдвига частоты рассеянного звука при движении рассеивателя - колеблющейся массы в горле резонатора. 5. Наличием частот (2-20 кГц) звука в призабойной зоне пласта, генерируемого турбулентным потоком при движении нефти из перфорационных отверстий и распространившихся до призабойной зоны пласта частот (0,5 - 8 кГц) от погружного центробежного электронасоса и ослаблением звука (0,35


1. Авторское свидетельство N 1461875, кл. E 21 B 43/45. Способ освоения скважины. Бюл. 8,1989. 2. Патент RU 2109134 C1 (ТОО НПП "Сибпромэлектроника"), кл. E 21 В 43/25, 20.04.98 (прототип). 3. Кузнецов И.Л., Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. - М.: Недра, 1983. - с. 26-27, с. 75-79 /прототип/. 4. Лепендин Л.Ф. Акустика: учебн. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1978. - С. 65-66. 5. Лапин А. Д. Применение резонаторов для уменьшения передачи звука в трубах. В кн. Борьба с шумами и вибрациями в трубах. Доклады. Челябинск, июнь 1966. - М.: Строительство. 1966. - С. 304- 309. 6. Исакович М.А. Общая акустика: учебн. пособие. - М.: Наука, 1973. - С. 353-354. 7. Борьба с шумом на производстве. Справочник. /Е.Я. Юдин, Л.А. Борисов, И.В. Горенштейн и др. Под общ. ред., Е.Я. Юдина, - М.: Машиностроение, 1985. - С.15. 8. Справочник по технической акустике. /Под ред. М. Хекла и X.А. Мюллера. - Л.: Судостроение, 1980. - С. 218. 9. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы (физические и физико-химические методы контроля состава и свойств веществ). - М. - Л.: Энергия, 1965. - С. 48. 10. Мищенко И. Т., Кондратюк А.Т. Особенности разработки нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами. /Под ред. И.Т. Мищенко. - М.: Нефть и газ, 1966. - С. 18. 11. Акустика в задачах. Учеб. рук-во. Для ВУЗов /А.Н. Бархатов, Н.В. Горская, А. А. Горюнов и др. /Под ред. С.Н. Гурбатова и О.В. Руденко. - М.: Наука, Физматлит, 1996. - С. 23.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6