Акустический генератор низкой частоты
Изобретение относится к устройствам, образующим концентрированные потоки акустической энергии низкой частоты, большой мощности с направленным звуковым лучом, служащим для увеличения притока нефти в скважины. Предложенный генератор включает секционные камеры сгорания с крышками и сферическими внутренними поверхностями, резервуар с водой и ступенчатым стержнем, парогазотурбинную установку с компрессором и электрогенератором. Также генератор дополнительно снабжен стволами с суживающимся соплом, а также форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыска смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, форсунками-детонаторами, смежно расположенными к ним для впрыска струй электропроводной жидкости и сообщающимися с камерами сгорания. При этом форсунки для впрыска смеси паров снабжены топливными форсунками и патрубками, внутри которых установлены шнеки, электродами, размещенными в цилиндрических каналах, выполненных из электроизоляционного материала, сообщающихся с соплами, направленными под углом друг к другу. Кроме того, форсунки для впрыска смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости снабжены взрывными камерами с суживающимися соплами. В результате обеспечивается увеличение отбора нефти из пласта(ов) и повышение как коэффициента нефтеотдачи, так и дебита скважин. 11 ил.
Изобретение относится к устройствам, образующим концентрированные потоки акустической энергии, а именно к акустическим генераторам низкой частоты, большой мощности и направленным звуковым лучом, служащим для увеличения притока нефти в скважины.
Известны импульсные источники упругих колебаний, применяемые, например, в инженерной сейсморазведке и создающие кратковременное ударное воздействие в заданной точке /на поверхности, в горной выработке или в воде/. К ним относятся ударно-механические источники /молот, падающий груз, маятниковый ударник/. Однако их глубинность ограничена 30-50 м. Близкими аналогами являются устройства, выполненные в виде шурфов с размещенными в них зарядами взрывчатых веществ /ВВ/, обеспечивающие неограниченную глубинность и широкий частотный спектр "см. Ляховицкий Ф.М. и др. Инженерная геофизика. М., Недра, 1989 г., с.71 /1/. Основным существенным недостатком их является невозможность создания направленного воздействия взрыва в узкой зоне распространения звукового луча, низкий КПД, а также вредное воздействие на окружающую среду. Близким к заявляемому акустическому генератору низкой частоты является газодинамический источник, например, типа ГСК-10. Он имеет взрывную камеру, установленную на грунт. Колебания возбуждаются при взрыве смеси пропана и кислорода /см.1, с.71/. Основным существенным недостатком аналога является низкая мощность устройства и, соответственно, невысокая интенсивность акустического излучения, а также невозможность получения направленного звукового луча, ограниченная глубинность и низкий КПД. Кроме того, перечисленные устройства и аналоги не являются источниками, эффективно воздействующими на продуктивный пласт, например, с нефтью, т.е. не способствуют увеличению выхода нефти в скважины при их применении. Наиболее близкими к заявляемому акустическому генератору низкой частоты являются устройства, выполненные в виде скважин, применяемые для закачки воды с добавкой поверхностно-активных веществ /ПАВ/ в пласт с нефтью, что позволяет повысить нефтеотдачу пластов на 10-30%. Выбранное в качестве аналога-прототипа устройство имеет высокую стоимость, причем расход энергоресурсов на собственные нужды нефтедобычи резко возрастает при увеличении обводненности продукции скважин. Применение же добавок в виде ПАВ не обеспечивает реального повышения добычи нефти, так как на ее получение требуется израсходовать практически то же самое количество нефти, дополнительно добытое с ее использованием и на месторождениях с нефтью в недрах остается более 50% легких и до 85% вязких нефтей /см. Алексеев В.В. Экология и экономика энергетики. Знание, Физика, М., 1990 г., 6, с.25-27 /2/. Целью изобретения является увеличение отбора нефти из пласта/ов/ и повышение как коэффициента нефтеотдачи, так и дебита скважин. Поставленная цель достигается в изобретении за счет того, что генератор снабжен секциями, последовательно установленными друг за другом и скрепленными между собой, с равномерно расположенными в них по окружности камерами сгорания с каналами охлаждения, причем верхняя секция выполнена с крышкой со сферическими внутренними поверхностями под камеры сгорания и каналом охлаждения водой, а нижняя секция выполнена с камерами сгорания, переходящими в стволы, подсоединенные к суживающемуся соплу-концентратору ударных волн, камеры сгорания снабжены форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыскивания смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, и смежно расположенными к ним форсунками-детонаторами для впрыскивания струй электропроводной жидкости, при этом форсунки для впрыскивания смеси паров снабжены топливными форсунками и патрубками, внутри которых установлены шнеки, электродами, размещенными в цилиндрических каналах, выполненных из электроизоляционного материала, сообщающихся с соплами, направленными под углом друг к другу. Кроме того, поставленная цель достигается в изобретении за счет того, что форсунки для впрыскивания смеси паров снабжены взрывными камерами, а также за счет размещения в впускных патрубках сжатого воздуха камер сгорания шнеков или электромагнитных тарельчатых клапанов и за счет направления суживающегося сопла нижней секции по оси ступенчатого стержня /концентратора/ с расположением от его торца с заданным зазором в слое воды емкости, причем форсунки-детонаторы с размещенными в них цилиндрическими каналами, выполненными из электроизоляционного материала, с одной стороны, содержат электроды, а с другой - сопла, направленные под углом друг к другу для впрыскивания струй электропроводной жидкости. Кроме того, акустический генератор дополнительно является источником парогазовой смеси с избыточным давлением, подключенным к газовой турбине электростанции с воздушным компрессором, редуктором и электрогенератором, и снабжен растяжками, прикрепленными к якорям, или дополнительными стойками, закрепленными в фундаменте. Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта - увеличения отбора нефти из пластов/ов/ и повышения коэффициента нефтеотдачи и дебита скважин. Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения - критерию изобретения -"изобретательский уровень". Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели. Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения - "промышленная применимость". Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых: на фиг.1 показан продольный разрез по акустическому генератору, на фиг. 2 приведен общий вид на акустический генератор с показом расчалок, на фиг.3 изображен тот же акустический генератор с показом его крепления к стойкам на фундаменте, на фиг. 4 показан продольный разрез по верхней секции акустического генератора, на фиг.5 приведен поперечный разрез по А-А, на фиг.6 показан продольный разрез по нижней секции акустического генератора, на фиг.7 изображена форсунка в продольном разрезе, на фиг.8 изображена форсунка-детонатор в продольном разрезе, на фиг.9 показан в поперечном сечении узел,на фиг. 10 приведен план /вид сверху/ на залежь с размещенными на ней скважинами и акустическими генераторами,
на фиг.11 - то же, с осевым расположением акустических генераторов. Предлагаемый акустический генератор состоит из отдельных секций 1, 2, 3, в которых размещены камеры сгорания 4 и суживающееся сопло 5 /см. фиг.1/. Верхняя секция имеет крышку 6 со сферическими внутренними поверхностями 7. Крышка, секции и суживающееся сопло соединяются между собой с помощью фланцев 8, прокладок и болтов 9. Акустический генератор устанавливается и крепится на емкости 10, опираясь на него фланцем 11 /с креплением болтами/, которая в свою очередь размещена на фундаменте 12 и подготовке 13. Внизу емкости 10 укрепляется твердый цилиндрический ступенчатый стержень /концентратор/ 14 в обойме 15. Емкость заливается водой до заданного уровня 16 и имеет выпускной патрубок 17, подключенный с помощью парогазового трубопровода к впускному патрубку 18 парогазовой турбины 19, проводящий во вращение осевой компрессор 20 /или центробежный, поршневой/. Компрессор через редуктор 21 соединяется с электрогенератором 22, отработанная парогазовая смесь через выпускной патрубок 23 парогазовой турбины поступает в газоотделитель, совмещенный с конденсатором 24. Компрессор 20 в свою очередь имеет впускной 25 и выпускной 26 патрубки, через один из которых поступает в него атмосферный воздух, а через другой выходит сжатый воздух, поступающий по трубопроводу 27 в впускные патрубки 28, 29, 30 секций 1, 2, 3 акустического генератора. Патрубки подсоединены к кольцевым трубопроводам 31, 32, 33, из которых сжатый воздух распределяется по камерам сгорания 4, через соответствующие впускные патрубки 34, 35, 36, в каждом из которых установлены шнеки 37, служащие для отражения ударных волн. Вместо шнеков могут быть также установлены электромагнитные тарельчатые клапаны и др. Система охлаждения камер сгорания 4 секций 1, 2, 3 состоит из центробежного насоса 38, радиатора 39 и трубопроводов 40 и 41 /подающих и обратных/, обеспечивающих циркуляцию воды через систему охлаждения камер сгорания 4. Для заполнения резервуара 10 и непрерывной подачи в него воды служит насос 42. Для компенсации реактивного усилия и вертикальной устойчивости акустического генератора служат растяжки 43 или стойки 44, закрепленные на фундаменте 45. На фиг. 4, 5 показана в большом масштабе верхняя секция 1 акустического генератора, которая содержит камеры сгорания 4 и крышку 6, охлаждаемые водой по каналам 46 и 47. В камерах сгорания последовательно друг за другом на заданном расстоянии установлены форсунки 48 и смежно расположенные к ним форсунки-детонаторы 49. Средняя секция 2 в большом масштабе условно не показана, так как она такая же по конструкции, как и секция 1 без крышки 6. В отличие от секций 1, 2 секция 3 /фиг.6/ содержит кроме камер сгорания 50, размещенных по окружности, стволы 51 и суживающееся сопло 5, которые все вместе охлаждаются водой по кольцевому каналу 52. На фиг.7 показана в увеличенном масштабе форсунка 48, содержащая металлический корпус 53 с размещенным внутри него цилиндрическим корпусом 54, выполненным из электроизоляционного материала /например, из оксида алюминия/. В корпусе 54 выполнены цилиндрические каналы 55, 56, на одном конце которых имеются сопла 57, 58, направленные под углом друг к другу, а с другой стороны установлены электроды 59, 60, которые подключены к генератору электрических импульсов /ГИ/. Корпусы 53, 54 снабжены входными патрубками 61, 62 с размещенными в них шнеками 63 /служащими для отражения ударных волн/. Корпус 53 содержит также взрывную камеру 64 и фланец 65 для крепления форсунок на камерах сгорания. Между каналами 55, 56 установлена топливная форсунка 66. Генератор электрических импульсов, в упрощенной схеме, состоит из источника постоянного тока 67, конденсатора 68 и разрядника 69. ГИ могут также быть машинными и магнитонасыщенными с магнитным усилителем, на электронных и полупроводниковых усилительных и переключающих приборах, /см. Артамонов Б.А. Размерная электрическая обработка металлов. М., Высшая школа, 1978 г., с. 50-66 /3/. На фиг.8 показана форсунка-детонатор с генератором электрических импульсов /ГИ/. Она состоит из металлического корпуса 70 с размещенным внутри него цилиндрическим корпусом 71, выполненным из электроизоляционного материала, в котором расположены цилиндрические каналы 72, 73. Каналы 72, 73 на одном конце имеют сопла, направленные под углом друг к другу - 74, 75, а на другом - электроды 76, 77. Входные патрубки 78 с установленными в них шнеками 79, фланец 80 для крепления форсунок-детонаторов на камерах-сгорания. Генератор электрических импульсов также состоит из источника постоянного тока 81, конденсатора 82 и разрядника 83. На фиг.9 показана часть емкости 10 /узел/ с залитой в него до уровня 16 жидкостью /водой/, которая поступает в него через патрубок 84, обойма 15 закреплена к емкости с помощью двухстороннего сварного шва 85. Ступенчатый стержень /концентратор/ 14 содержит вторую ступень 86 меньшего сечения. Работает акустический генератор следующим образом. - Форсунка поз.48. Принцип ее действия основан не на впрыскивании струй топлива, а на "впрыскивании" в камеры сгорания 4, 59 смеси паров углеводородного топлива и паров концентрированных водных растворов сильных электролитов с заданной концентрацией. При этом температура смеси поддерживается на уровне Т=104-1,5
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Принцип ее действия подобен принципу действия форсунки 48. Однако ее конструкция отличается тем, что отсутствуют топливная форсунка и взрывная камера. Через нее подается в камеру сгорания только концентрированный водный раствор сильного электролита, который от насоса /не показанного на чертеже/ через патрубки 78, обтекая шнеки 79, проходит в цилиндрические камеры 72, 73, сопла 74, 75, направленные под углом друг к другу, и в виде струй 90, 91 создается контакт струй между собой в точке 92. Причем зона контакта струй вынесена в камеру сгорания. Электрический взрыв струй также обеспечивается от генератора электрических импульсов /ГИ/, 81 - источника постоянного тока, 82 - накопительного конденсатора и разрядника 83, который и в этой схеме может не устанавливаться, а электрический взрыв струй осуществляется при их коротком замыкании в зоне контакта 92. В результате электрического взрыва струй 90, 91 водный раствор мгновенно нагревается, испаряется и перегревается до Т
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
Выше показан принцип действия форсунки 48 с одновременным пояснением процессов, происходящих при ее работе, в камерах сгорания "АГ". Указано на высокий термический КПД акустического генератора, использование в его работе энергии водного раствора сильного электролита, а также на использование нефти самого месторождения. Можно ориентировочно предположить, что КПД воздействия инфразвуковых волн на продуктивный пласт с нефтью не превысит 15-20%, и в этом процессе существенное значение приобретает уровень энергетики, т. е. КПД всей "добывающей" нефть установки, т. е. самого "АГ" и вспомогательных машин и механизмов, позволяющих резко повысить ее экономичность в целом /см. 7, с. 98-102/. В этих целях акустический генератор снабжен газотурбинной установкой 19 /точнее парогазотурбинной/, приводящей во вращение компрессор, редуктор и электрогенератор за счет энергии отработанных газов из АГ и энергии пара, генерируемого отработанными газами из АГ в емкости 10 /являющегося одновременно паровым котлом и имеющим экран 93 с отверстиями 94 для выхода пара и газа и поступления его по патрубку 17 в патрубок 18 парогазовой турбины 19/. По существу мы имеет парогазотурбинную электростанцию с новым принципом утилизации отработанных газов из акустического генератора. Использование парогазовой смеси с высокой температурой и давлением позволяет не только повысить КПД самого акустического генератора за счет подачи в него сжатого воздуха из компрессора 20, но и существенно снизить расход энергоносителя, какими в данной конструкции являются нефть самого месторождения и водный раствор сильного электролита, большая часть которого состоит из обычной воды, широко распространенной в природе и имеющейся практически повсюду. Еще одним достоинством АГ является осуществление в нем детонационного способа сгорания любого углеводородного топлива /для справки - бензин как наиболее сильное детонирующее вещество является составной частью нефти, диссоциирующей на ионы и атомы всех входящих в ее состав элементов при температуре электрического взрыва струй электролита - T=104-1,5
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
1. Форсунки 48 и форсунки-детонаторы 49. Механизм образования плазмы в струях водных растворов сильных электролитов /поз. 87, 90, 91/ в общем такой же, как и при электрическом разряде в растворе электролита при электроэрозионно-химической обработке материалов /см.3, с.329-333/. Особенности процесса разряда вызваны свойствами самой рабочей среды - струй из раствора электролита, в которых напряжение /при использовании питания от выпрямителя переменного тока, магнитонасыщенных ГИ или машинного генератора/ в начале импульса растет довольно медленно, и перенос зарядов на первой стадии осуществляется ионами, а при пробое и образовании плазменного шнура на месте струй электронами. "В развитии пробоя при медленно нарастающем напряжении основную роль играют газовые пузырьки. Пока напряжение "И" не достигло величины Uпр. на катоде /поз. 88, 92/, выделяется водород. Кроме того, пузырьки газа могут образовываться и в самих струях благодаря нагреванию их джоулевой теплотой, когда растворимость газов в воде снижается. Благодаря высокому газонаполнению электропроводность слоя раствора у катода уменьшается и на этот слой жидкости струй падает основная доля рабочего напряжения "И". Здесь существует наибольшая напряженность электрического поля и начинается нагревание струй, возникает пробой газовых пузырьков, происходит ионизация элементов и образование свободных электронов, завершающихся образованием плазмы". Горячая плазма и более холодный раствор в струях отделяются друг от друга слоем электропроводного пара, прогреваемым со стороны плазмы и собственной джоулевой теплотой, постепенно продвигается по длине струй, пока не достигнет противоположных электродов - сопел 57, 58, 74, 75. После этого струи на всю длину перекрываются плазменным каналом разряда. Разряд происходит в сильно нагретом водяном паре, содержащем ионы, электроны, а также атомы водорода и кислорода - продукты электротермической /термической/ диссоциации раствора электролита. Электрический разряд и взрыв струй подобен также электрическому взрыву твердых проводников, в которых благодаря взаимодействию тока и магнитного поля на струи в радиальном направлении действуют сжимающие силы /пинч-эффект/, приводящие к сильному сжатию плазмы, образовавшейся на месте струй. В результате в процессе дальнейшего выделения энергии разрядного тока в плазме резко повышается температура, которая может достигать значения порядка 10 млн К/см. Милантьев В.П. Физика плазмы. М., Просвещение, 1983 г., с.84-86 /13/. Однако для работы форсунок 48 и форсунок-детонаторов 49 температура взрыва струй электролита необходима лишь на уровне Т=104-1,5
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
применение в качестве материала камер сгорания 4, 50 акустического генератора низколегированных сталей /в связи с охлаждением стенок проточной водой/ снижает стоимость АГ, несмотря на то, что внутри камер сгорания поддерживается высокая температура продуктов сгорания за счет проведения в них детонационного сгорания энергоносителя,
применение энергоносителя - нефти разрабатываемого месторождения и водного раствора электролита - существенно снижает затраты энергии на собственные нужды нефтедобычи по сравнению с любыми известными методами;
отказ от бурения многочисленных и дорогих скважин при внеконтурном или внутриконтурном заводнении залежи, подача в них под высоким давлением воды в смеси с ПАВ на порядок, а то и более уменьшает затраты на добычу нефти,
дополнительное получение нефти также снижает стоимость энергозатрат и стоимость нефтедобычи,
возможность получения огромной акустической и тепловой мощности за счет увеличения количества секций акустического генератора при одновременном увеличении диаметра АГ,
возможность работы "нефтедобывающей установки с АГ" и в качестве электростанции для обслуживания комплекса машин, буровых установок и жилого поселка месторождения нефти, причем не только электроэнергией, но и горячей водой.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Извещение опубликовано: 10.02.2007 БИ: 04/2007