Размещено на http://www.allbest.ru/

Розділ 1. Інформаційні дослідження

1.1 Аналіз наукових публікацій

Методи обробки нафтових свердловин

Останні десятиріччя характеризуються погіршенням якісного стану сировинної бази нафтовидобувної промисловості України внаслідок значного виробітку високопродуктивних родовищ, що знаходяться на завершальній стадії розробки та мають високий ступінь обводненості нафтових пластів, а також залучення до експлуатації відкритих родовищ з так званими важкодоступними запасами. Практика розробки нафтових родовищ в Україні засвідчує, що 30- 65% початкових запасів нафти залишаються не вилученими. У ході експлуатації свердловини, у процесі фільтрації внаслідок привнесення у при вибійну зону пласта різного типу кольматуючих частинок, пластовий флюїд перетворюється в при вибійній зоні пласта на колоїдно-дисперсну структуру, що є не ньютонівською рідиною [1-3].

При вибійна зона пласта - це частина загальної гідродинамічної системи, де фільтрація флюїдів відбувається при підвищених швидкостях, градієнтах тиску і температури, що ускладнюється появою тріщинуватих, неоднорідних по проникності зон - фазових переходів. При вибійна зона пласта знаходиться в не рівноважному термодинамічному стані активного енерго- і масообміну зі свердловиною та пластом, при цьому її стан безперервно змінюється в ході розробки родовищ. Розмір при вибійної зони прийнято оцінювати по радіусу зони порушення лінійного закону фільтрації, яка може сягати 6 ... 23 м від осі свердловини, незважаючи на такі малі розміри, ПЗП багато в чому визначає процес розробки всього родовища нафти в цілому.

У роботах [2,3] детально розглядаються причини погіршення колекторських властивостей при вибійної зони на різних стадіях розробки нафтових родовищ, включаючи будівництво свердловин, їх освоєння, процес експлуатації, закачування води і різних реагентів та інші, а також ефекти, що виникають в ПЗП при впливі на неї різними хвильовими методами.

На сьогодні існують різні методи обробки при вибійної зони нафтових свердловин, розглянемо деякі із них, щоб проаналізувати якість кожного методу.

Віброхвильовий метод, а також пристрої для його здійснення вперше запропоновані С.М. Гадієвим, і в літературі він отримав назву «вібраційний» [4]. Обробка свердловини проводилися з використанням свердловинних пристроїв. Найбільшого поширення набули генератори, що використовують для роботи гідродинамічний напір закачаної в свердловину технологічної рідини (вода, розчини ПАР, нафта, розчинники, кислоти та ін.). Основний ефект від віброхвильового впливу на ПЗП досягається на думку автора [4], за рахунок розкорковування порових каналів, утворення тріщин в ПЗП, впливу на реологічні властивості рідин та збільшення рухливості рідин в пласті. Визначено фактори і заходи, що підвищують ефективність віброхвильвого впливу, удосконаленні гідравлічні роторні перетворювачі [5-7]. Незважаючи на ряд переваг, вказані вище розробки не знайшли подальшого розвитку зважаючи на ненадійність та низький ККД, великі витрати і малу ефективність. Найширше такий метод застосовується для підвищення продуктивності нагнітальних свердловин, що розкривають неоднорідні, з невеликою проникністю пласти, представлені карбонатами, пісковиками і алевролітами.

До групи імпульсно-ударних методів належать методи, що використовують вибухові речовин, методи із застосуванням електроіскрових генераторів і методи з використанням гримучої суміші. Ці методи засновані на використанні ефекту ударної хвилі і спричинених нею збурень у пласті [8-10].

А.І. Кузнєцовим створено спосіб і пристрій для термогазогідравлічного впливу на пласт, який успішно застосовуються на родовищах ВАТ «Татнефть».

Компаніями Marathon, Owen, НТС Tclinikal Sericcs, Computalog розроблена технологія розкриття пласта Mara-Stim і пристрій «Stim-Gun» (перфоратор - пороховий заряд), які в останні роки успішно використовуються у ряді нафтовидобувних країн. В роботі звертається увага, на те що для планування імпульсно-ударної дії при розкритті пластів та освоєнні свердловин потрібні детальні відомості про процеси в пластах на стадії формування стовбура і його кріплення, проведення вторинного розтину і само імпульсно-ударної дії, а також виклику припливу пластового флюїду.

У ряді випадків застосування методів супроводжується збільшенням обводненості продукції. У зв'язку з цим використання їх на свердловинах, що розкривають мало проникні неоднорідні пласти мало ефективно, а часто взагалі не дає позитивних результатів. Найширше ці методи застосовують до освоєння свердловин, що розкривають пласти, представлені карбонатами і пісковиками з високою проникністю і підвищеним пластовим тиском та очищення свердловин від відкладень солей.

Ще одним не менш важливим є електромагнітний вплив, який умовно поділяють на 3 види: низькочастотний (НЧ) - до 1 кГц, високочастотний (ВЧ) - 1 кГц ... 300 МГц і надвисокочастотний (НВЧ) - вище 300 МГц.

Відповідно цьому з урахуванням наявного напрацювання в групу електромагнітних методів впливу на ПЗП входять імпульсні електричні (в деякій мірі умовно), а також ВЧ і СВЧ електромагнітні методи. Імпульсні електричні методи засновані на створенні в пластах імпульсних електричних струмів. ВЧ і СВЧ електромагнітні методи засновані на особливості взаємодії ВЧ і СВЧ електромагнітних полів з насиченими пористими середовищами, що полягає в запізненні поляризаційних процесів у порівнянні зі зміною параметрів швидкозмінного поля. ВЧ і СВЧ електромагнітними полями, і обґрунтуванню їх застосування в різних технологічних процесах протягом десятиліть, за участю В.П.Дибленка і І.А. Туфанова до 2002 р, проводилися в під науковим керівництвом ФЛ. Саяхова, пізніше - Л.А. Ковальової [11]

До групи акустичних методів відносять ті, які мають вплив пружними коливаннями, що мають сформований хвильовий характер безпосередньо в ПЗП. Враховуючи реальні розміри ПЗП і необхідність дотримання умов прозорості, при проходженні акустичних хвиль через обсадні труби [12], можна отримати частоти вище 1000 Гц тобто високочастотний акустичний вплив. Акустичні методи досить широко викладені в літературі. Основоположниками розробки акустичних методів є О.Л Кузнєцов, Е.М Симкин, С.А. Єфімова [12-14] за якими ці методи умовно можна розділити на 2 підгрупи, по типу використовуваних хвильових джерел: п'єзокерамічні і магнітострикційні перетворювачі і високочастотні гідродинамічні генератори в основному кавітаційного типу [13-14]. Зазначені перетворювачі входять до складу апаратури (рис.1.1), яка включає свердловинний снаряд (випромінювач), що опускається на каротажному кабелі в свердловину та наземний блок живлення і управління. При роботі випромінювача в свердловині збуджується акустичне поле інтенсивністю до 10 кВт/м2, що забезпечує інтенсивність близько 0,2 кВт/м2 в породі на відстані близько 1 м від стінки [13]. Серйозна робота щодо подальшого вдосконалення та впровадження, акустичного методу і п'єзокерамічних випромінювачів пророблена в МДУ Ю.І. Горбачовим спільно з ЗАТ "ІНЕФ". при цьому наголошується, що для високо дебітних свердловин з високою проникністю успішність вища. Підвищення в'язкості нафти веде до зниження успішності робіт.

Також розроблена і успішно впроваджується при освоєнні і до освоєні свердловин модифікація акустичних методів, що полягає в очищенні перфораційних каналів після виробництва перфораційних робіт з використанням високочастотного акустичного впливу, створюваного п'єзокерамічним випромінювачем.

В.В. Дерягин і Г.В. Іголкина в ЗАТ «Інтенсоник» спільно з ІГ УроРАН розроблений і впроваджений акустичний метод впливу в свердловинах для відновлення проникності та оцінки насиченості колекторів [15]. Метод заснований на збудженні в зоні перфорації видобувних чи нагнітальних свердловин силового акустичного поля та реєстрації природної і викликаної сейсмоакустичної емісії (САЕ) гірських порід в діапазоні 10 ... 20000 Гц до і після акустичного впливу.

Рисунок 1.1 - Загальний вигляд апаратури акустично дії

Накопичений значний досвід щодо застосування акустичних методів з використанням магнітострикційних і п'єзокерамічних перетворювачів. Ці методи прості, надійні, не потребують великих витрат. При цьому досягається висока ефективність при обробці високо дебітних, свердловин, у яких закольматована зона складає десятки сантиметрів.

Значна роль у розробці гідроакустичних свердловинних пристроїв належить Р.Ф. Ганієву. Генерація коливань в цих пристроях заснована на збудженні власних частот закрученого шару рідини. Основним конструктивним елементом цих пристроїв є форсунка з соплом. Подача робочої рідини здійснюється через тангенціальні отвори [16].

Всі хвильові методи впливу на при вибійну зону свердловин забезпечують прямі ефекти. При цьому в далеких областях ПЗС виникають ініційовано-аномальні ефекти, пов'язані з аномально-напруженим станом насичених гірських порід.

Ультразвуковий методи обробки нафтових свердловин

В даний час нафтові компанії проявляють все більший інтерес до підвищення нафтовіддачі за рахунок впливу на нафтові пласти за допомогою гідроакустичних випромінювачів, що працюють в ультразвуковому діапазоні частот з інтенсивністю впливу до 1 Вт/cм2 і вище. В останні роки успішно проведені теоретичні та експериментальні дослідження в галузі ультразвукової кавітації і акустичних течій, що дозволили розробити нові технологічні процеси, що протікають при поширенні ультразвуку в рідкій фазі. При ультразвуковому впливі кольматуючий матеріал руйнується за рахунок створення значних коливальних навантажень, в результаті чого на контактах частинок створюються напруги, що перевищують межу міцності утворених структур. В застосуванні до видобувних свердловин, це означає, що нафто насичені пласти, які раніше не працювали через кольматації можуть включитися в процес фільтрації, що призведе до збільшення дебіту і зниження обводнення продукції. Під дією ультразвуку змінюються основні фізико-хімічні властивості розчинів: в'язкість, поверхневий натяг на межі розчин - форма або розчин - тверда фаза, температура і дифузія [5].

Хмелєв В.Н. у своїй роботі «Застосування ультразвуку високої інтенсивності в промисловості» [17] наголошує на тому, що існує ряд переваг, які виділяють ультразвукові коливань у порівнянні із іншими видами. Варто сказати, що маючи велику частоту f, порівняно зі звуковими коливаннями при однаковій швидкості поширення, ультразвукові коливання характеризуються значно більш короткими довжинами хвиль і в різних середовищах з довжиною хвилі, що не перевищує 1 ... 10 мм, за своїми властивостям аналогічні світловим

променям. Це дозволяє не тільки фокусувати коливання, але і формувати направлене випромінювання, тобто направляти енергію в потрібному напрямку і зосереджувати її в потрібному обсязі. Потужність ультразвукових коливань, які розповсюджуються в середовищах, пропорційна квадрату частоти, і тому, на відміну від потужності звукових коливань дуже велика, яка може досягати сотень кіловат, а їх інтенсивність - 1. ..1000 Вт/см2 При цьому всередині матеріальних тіл може поширюватися дуже велика енергія механічних коливань. Також у видані розглянута ультразвукова кавітація, як основний діючий фактор прискорення процесів в рідких середовищах, яка реалізується за рахунок трансформації низької щільності енергії УЗ у високу щільність енергії поблизу і всередині газової бульбашки, при чому для реалізації технологічних процесів, інтенсифікуючих УЗ коливаннями, необхідно створювати умови виникнення саме захлопуючих кавітаційних бульбашок. На місці зниклої бульбашки утворюється потужна ударна хвиля, яка характеризується електричним розряд високої напруги [17].

Дані свідчать про те, що ультразвук на два порядки прискорює стадію розчинення розчинних речовин, в 10-30 разів - важко і повільно розчинних препаратів, в 3-5 разів - малорозчинних. За допомогою ультразвуку при звичайній температурі (0-25 °С) збільшується межа розчинності в діапазоні важко і практично нерозчинних речовин, причому концентрація насичення може перевищувати відомі константи в 5-30 разів.

Реалізація ультразвукової дії на пласт

Для реалізації технологічних процесів під дією ультразвукових коливань в різних середовищах необхідні джерела ультразвукового випромінювання, здатні працювати в різних середовищах і створювати коливання з необхідними параметрами по частоті та інтенсивності. До теперішнього часу створено велику кількість різних джерел ультразвукових коливань, так званих УЗ перетворювачів [18]. На практиці, для вирішення технологічних питань, пов'язаних із застосуванням ультразвуку, частіше використовуються перетворювачі з п'єзоелемента у вигляді кільця, п'єзоелемента і металу, багатошарових пластин [17]. Будь яка ультразвукова установка являє собою комплекс, що складається з одного або декількох ультразвукових генераторів, призначених для перетворення енергії струму промислової частоти в енергію струму високої частоти, ультразвукових перетворювачів, що перетворюють енергію струму високої частоти в енергію механічних коливань, і технологічного устрою, в якому енергія механічних коливань активно впливає на оброблюваний об'єкт.

Режим роботи ультразвукової установки визначається видом і характером технологічного процесу, а також формою і характером ультразвукових коливань. Найбільш часто в ультразвукових установках застосовується безперервна генерація ультразвукових коливань з постійною амплітудою.

У ряді робіт, наприклад [19-20], значну увагу приділено питань створення потужних джерел ультразвукових коливань з високими енергетичними характеристиками, в той час як питання, пов'язані з узгодженням системи ультразвуковий генератор - електроакустичний перетворювач - технологічне середовище, в цілому в літературі висвітлені недостатньо. Вирішення питання узгодження системи становить значний резерв поліпшення енергетичних характеристик, і йому слід приділити особливу увагу. Безсумнівний інтерес представляє створення ультразвукових генераторів з підвищеним ККД, що досягається застосуванням енергетично вигідних режимів і використанням в системі генератор - електроакустичний перетворювач автоматичного налаштування частоти, які забезпечують оптимальні умови роботи і узгодження системи при відході власної частоти акустичної системи, що викликається зміною її навантаження в технологічному процесі, за рахунок таких чинників, як нагрів, зміна механічного тиску і т. п.

Дуже важливу роль в енергетичному балансі відіграє ефективність використання ультразвукової енергії безпосередньо в зоні здійснення технологічного процесу. Це питання являє велику складність через різноманіття форм використання ультразвукової енергії в різних технологічних процесах і труднощі розробки узагальнених критеріїв оцінки цього питання. Найбільший інтерес тут представляє використання ультразвукової енергії при проведенні технологічного процесу в рідкій фазі. У цьому зв'язку доцільно забезпечити такий характер ультразвукового поля, при якому воно рівномірно впливає на об'єкт обробки, створити певну зону озвучування, вибрати час використання ультразвукового поля для технологічного впливу, ввести операції, що підвищують ефективність технологічного процесу і підсилюють дію ультразвукового кавітуючого поля

При проектуванні ультразвукового технологічного пристрою необхідно вирішити наступні завдання: розрахунок і конструювання ультразвукової коливальної системи, підбір джерел живлення і проектування кінематики переміщення окремих вузлів установки. У процесі розрахунку ультразвукових перетворювачів визначають робочу частоту, споживану потужність, вхідний електричний опір перетворювача. Цей комплекс параметрів визначає можливість комплектації ультразвукової технологічної установки універсальним генератором або необхідність проектування спеціалізованого ультразвукового генератора. При інтенсифікації технологічних процесів в рідких середовищах оптимальне значення питомої акустичної потужності, випромінюваної в середу, залежить від механізму впливу ультразвукових коливань на технологічний процес. Для процесів, пов'язаних з кавітаційною активністю рідини, оптимальне значення питомої акустичної потужності для водних середовищ становить =1,5 ~ -2,0 Вт/см2- цьому значенню питомої акустичної потужності відповідає амплітуда коливальної швидкості на поверхні випромінювача 0,2 м/с.

1.2 Патентний пошук

Існує багато патентів на корисну модель, винаходи, щодо конструкцій та принципу дії ультразвукової апаратуру.

В патенті [1] описаний спосіб підвищення нафтовіддачі і пристрій для його здійснення.

Винахід відноситься до нафтової і газової промисловості і може бути використано для підвищення дебіту малопродуктивних свердловин і розробки нафтових покладів з високов'язкою нафтою. Забезпечує зниження в'язкості нафти, зменшення швидкості утворення парафінових і асфальтенових відкладень в свердловинні і трубопроводах, тривалий і безперервний вплив на нафтоносний пласт без зупинки видобутку і без демонтажу свердловини протягом усього часу експлуатації, постійне поліпшення параметрів свердловини і підвищення пропускної спроможності пласта.

Спосіб полягає в одночасній ультразвуковій і тепловій дії на при вибійну зону пласта. На рис. 1.2 представлений пристрій, що реалізує цей процес. Пристрій для здійснення способу складається з генератора електричних коливань 12 і магнітострикційного перетворювача 13, який конструктивно виконаний у вигляді насадки на обсадній трубі в наземній частині свердловини 2. Сутність способу полягає в наступному: за допомогою генератора електричних коливань 12 збуджують електромеханічний перетворювач 13, який генерує потужне ультразвукове випромінювання 3. Це випромінювання з наземної частини свердловини 4 за допомогою хвилеводу перетворювача 10 направляють по обсадних труб 5 свердловини 6 по сталевому трубчастого хвилеводу до приймальної частини свердловини 7, де воно розсіюється перфорацією обсадної труби 8 і приймальні частини свердловини 9, частково перетворюючись на тепло а частково випромінюючи в при вибійну зону 2 свердловини 6 в зонах нагріву і випромінювання ультразвуку 27. Питома потужність ультразвуку подається в обсадних труб вибирається від 0,1 до 10 кВт/см2. Основною частиною електромеханічного перетворювача 13 є магнітострикційний сердечник перетворювача 14, навколо якого розташована зовнішня електрична обмотка 15. Магнітострикційні сердечник 14 електромеханічного перетворювача 13 виконаний як набір концентрично вставлених один в одного тонкостінних труб 16 або як багатошарова труба, утворена намотуванням суцільного тонкого листа на суцільну тонкостінну трубу 17 меншого діаметру.

В якості матеріалів для виготовлення магнітострикційного сердечника 14 використовується перменюр, нікель чи інший магнітострикційний метал.

Торці магнітострикційного сердечника припаяні або приварені своєю торцевою частиною до фланців перетворювача 18 і 19 або до хвилеводу причому нижній фланець перетворювача 13 виконаний за одне ціле або з'єднаний з хвилеводом конічної, ступінчастої або експоненційної зовнішньої форми з осьовим отвором 20 для проходу нафтовмісної рідини 26 з свердловини і в свою чергу з'єднаний з фланцем 21 обсадної труби свердловини.

В процесі роботи обмотка 15 перетворювача 14 дуже нагрівається, його охолодження відбувається потоком нафтовмісної рідини 26, яка проходить через осьовий отвір 20 в трубчатому магністрикційному сердечнику 14. Це дозволяє додатково нагрівати нафто містку рідину 26.

Для підвищення потужності кілька перетворювачів 14 можуть бути з'єднані з обсадною трубою 5 послідовно або паралельно.

Рисунок 1.2 - Пристрій для підвищення нафтовіддачі у свердловині

У патенті [2] описано комплекс обладнання для видобутку високов'язкої нафти

Винахід спрямовано на створення обладнання, що дозволяє в безперервному режимі з допомогою активованого ультразвуком хімічного реагенту значно знижувати в'язкість нафти різних родовищ безпосередньо в міжтрубному просторі обсадної труби свердловини і насосно-компресорної труби і зберігати характеристики в'язкості в часі, достатньому для транспортування видобутої нафти по трубопроводах.

Використання винаходу забезпечує як видобуток високов'язкої нафти, так і її транспортування до магістральних трубопроводів.

Технічний результат досягається тим, що запропонований комплекс обладнання для видобутку високов'язкої нафти, що містить насосно-компресорної трубу з розміщеним усередині неї приводом нафтового насоса і свердловинного апарату, виконаного у вигляді циліндричного корпусу, в якому послідовно розташовані герметична порожнину і кільцева камера з радіальними каналами в її корпусі, в герметичній порожнині розміщений джерело пружних коливань високої частоти, виконаний у вигляді ультразвукового перетворювача кільцевої форми, герметична порожнину по осі компонування забезпечена стяжкою, що має внутрішній наскрізний канал, ведучий в кільцеву камеру, свердловинний апарат електричним кабелем з'єднаний з наземним джерелом електроживлення, при цьому комплекс доповнено забезпеченою наземним насосом лінією подачі рідкого хімічного реагенту через внутрішній канал стяжки герметичній порожнині в кільцеву камеру, а перфорований ділянку труби між нафтовим насосом і якорем насоса забезпечений отвором для підведення кабелю електроживлення та лінії подачі хімічного реагенту. Свердловинний апарат, з'єднаний з перфорованою ділянкою труби різьбовим кріпленням, призначений для комплексного хімічно-фізичного впливу на нафту, що надходить в обсадну трубу. При цьому додатково здійснюється попереднє активування хімічного реагенту ультразвуком.

На рисунку 1.3 зображена принципова схема свердловинного апарату.



.

Рисунок 1.3 - Принципова схема свердловинного апарату

У патенті [3] описується пристрої для акустичного впливу на продуктивні пласти, в тому числі для інтенсифікації видобутку нафти, води та інших текучих середовищ з свердловин.

Свердловинний акустичний випромінювач включає п'єзокерамічні перетворювачі 1, кожен з яких являє собою правильну пряму чотиригранну призму. Грані призми виконані у вигляді прямокутних п'єзокерамічних пластин 2. Короткі краю пластин 2 вставлені в пази настановних деталей 3, розміщених між перетворювачами 1, а у крайніх перетворювачів краю пластин, звернені до торців випромінювача, вставлені в пази настановних деталей 3, суміщених з торцевими кришками 4 і 5. Установчі деталі 3 у торців свердловинного акустичного перетворювача можуть бути виконані та не поєднані з торцевими кришками. У пазах краю всіх п'єзокерамічних пластин 2 зафіксовані клеєм. Установчі деталі 3 і кришки 4 і 5 виконані у вигляді металевих дисків. Установчі деталі 3 і 4 мають центральні отвори, через які проходить центруючий стрижень 6. Робота свердловинного акустичного випромінювача здійснюється наступним чином: свердловинний акустичний випромінювач у складі свердловинного приладу опускають у нафтову свердловину на рівень продуктивного пласта на геофізичному кабелі типу КГ-3. З двох жил кабелю через кабельний наконечник на вхід випромінювача подають від наземного генератора зондуючий сигнал. Електрична напруга через вклеєні між п'єзокерамічними призмами 11 струмопровідні металеві пластини потрапляє на їх електропровідні межі. Напрямок векторів поляризації по товщині п'зокерамічної призми вибрано таким чином, що зовнішня частина призми 11 (до середини її товщини) в силу п'єзоефекту розширюється, а внутрішня - стискається. На рис.1.4 представлена конструкція акустичного випромінювача.

Рисунок 1.4 - Конструкція акустичного випромінювача

У патенті [4] розглядається акустичний свердловинний пристрій, який складається з герметичного корпусу 1 з розміщеними в ньому п'єзоперетворювачем 2 і блоком електроніки 3, верхньої головки 4 з контактним пристроєм 5 під кабельний наконечник 6, герметично з'єднаної з корпусом. Розміщення п'єзоперетворювачів і блоку електроніки в самостійних герметичних корпусах, що з'єднуються разом за допомогою герметичного вузла стикування з електророз'ємом 7, підвищує експлуатаційні параметри (характеристики) приладу за рахунок поліпшення умов проведення налаштування, модернізації окремих вузлів і ремонту приладу, а також забезпечує можливість застосування акустичних випромінювачів (п'єзоперетворювачів) різного частотного ряду без повного розбирання і подальшого налаштування приладу і використовуючи один блок електроніки. Корпус виконаний з міцних матеріалів, наприклад алюмінієвих сплавів, і розрахований на максимальний свердловинний тиск. У нижній частині корпусу може бути розташований локатор муфт та перфораційних отворів 8.

Рисунок 1.5 - Конструкція акустичного свердловинного пристрою

П'єзоперетворювачі складаються з поздовжньо-поляризованих п'єзокерамічних шайб 9, кожен з яких включає принаймні, дві п'єзокерамічні шайби з електрично ізольованими від решти поверхні шайби сегментами 10, які виконують функції вбудованих датчиків контролю стану п'єзоперетворювачів.

Власне робота приладу по впливу на пласт здійснюється наступним чином. Напруга промислової електромережі після перетворень в наземному блоці контролю та управління через центральну жилу геофізичного кабелю надходить на вхід свердловинного приладу в модуль захисту від перенапруги і далі - через змішувач струму - на підсилювач потужності, на другий (сигнальний) вхід якого подається високочастотний сигнал від генератора, відповідний мінімальному значенню робочого діапазону частоти. П'єзоперетворювачі, що входять до складу випромінювача, перетворять електричні коливання в акустичну хвилю, яка поширюється в пласт і здійснює вплив на привибійну зону.

У патенті [5] змодельовано акустичний випромінювач, що включає випромінюючий елемент 1 у формі диска з плоскими випромінюючими поверхнями 2 і 3 відповідно. Акустичний випромінювач забезпечений відображаючим екраном 4, встановленим перпендикулярно поздовжньої осі обсадної колони 5. Відображаючі екрани 4 і 6 встановлюють заздалегідь з різних сторін випромінюючого елемента 1.

Відбиваюча поверхня екрану 4 паралельна зверненої до неї плоскої поверхні 2 випромінюючого елемента 1. Екран 4 і випромінюючий елемент 1 встановлені з мінімально можливим зазором до стінок обсадної колони, для створення резонуючого обсягу всередині колони. Під мінімально можливим зазором розуміється зазор, що забезпечує безперешкодне опускання пристрою в обсадних колон і одночасно забезпечує локалізацію акустичного поля всередині резонуючого обсягу, обмеженого випромінюючим елементом, стінками обсадної колони і відображає екраном. Випромінюючий елемент 1 пов'язаний з акустичним випромінювачем 7 за допомогою електроживлячого кабелю 8.

Пристрій використовується для роботи всередині обсадної колони 5 в зоні перфорації 9 привибійної зони 10.

Акустичне випромінювання "замикають" всередині двох об'ємів 11 і 12, кожен з яких обмежений плоскими поверхнями одного з відображаючих екранів, випромінюючого елемента і стінками обсадної колони .Об'єми 11 і 12 являють собою вторинні акустичні випромінювачі.



Рисунок 1.6 - Принцип дії пристрою акустичного випромінювача

Спосіб акустичного впливу на нафтоносний пласт полягає в тому, що в зону перфорації обсадної колони поміщають акустичний випромінювач у формі диска з плоскими поверхнями і, щонайменше, один екран з відображаючою поверхнею, розташованими перпендикулярно осі обсадної колони і з мінімально можливим зазором до неї для локалізації акустичного випромінювання всередині об'єму, обмеженого випромінювачем, обсадної колоною і екраном, при цьому відстань між випромінюючою поверхнею акустичного випромінювача і відбиваючою поверхнею екрану встановлюють рівним цілому числу довжин півхвиль в свердловинній рідини на робочій частоті акустичного випромінювача для забезпечення резонансу акустичного випромінювання всередині обсягу його локалізації .

1.3 Аналіз інформації джерел віддаленого доступу

Останніми роками універсальні можливості ультразвукової технології набули широкого поширення в області нафтовидобування і транспортування нафти.

Одним з перспективних направлень є розробка ультразвукових комплексів для технології відновлення нафтових свердловин.

Згідно технічного завдання ТОВ «Промснабінвест» фірмою виготівником було розроблено два комплекси: УЗК для очищення труб і УЗК для обробки нафтового пласта [26].

УЗК для очищення, зокрема обсадних труб нафтових свердловин, складається з наземної апаратури, що перетворює електричну енергію промислової мережі в електричну енергію підвищеної частоти і струм поляризації магнітостриктора перетворювачем цієї енергії, в механічні коливання інструменту в приладі свердловини.

Технологія ультразвукової дії на свердловину забезпечує очищення НКТ і обсадної труби від солей, що не очищаються іншим відомим устаткуванням, так, наприклад, барієвих солей що не розчиняються навіть хімічним шляхом. Ефект від дії ультразвуку на свердловину полягає в наступному: нафтовий свердловина ультразвуковий п'єзоелектричний

- Руйнуються відкладення солей на стінках труби;

- Руйнуються газогідратні пробки;

- Руйнуються парафінові пробки.

До складу установки ультразвукової дії входить наземний напівпровідниковий високочастотний генератор, блок поляризації і занурюючий акустичний випромінювач діаметром 42, 59, 115 і 120мм.

Апаратура дозволяє: обробляти в короткі терміни велику кількість свердловин (10-15 свердловин в місяць), - після однієї обробки дебіт свердловин не знижується протягом 0,5-1 року.

Апаратура вмонтовується на геофізичному автомобілі з каротажним кабелем завдовжки до 5 км.

Сьогодні ТОВ «Промснабінвест» застосовує в своїй роботі шість видів ультразвукових інструментів виконаних з кобальто-титанового сплаву, 4 інструменти для очищення НКТ діаметром 59мм, 2 інструменти для обробки ПЗП і два інструменти діаметром 42мм, що дозволить проводити роботи в свердловинах з нестандартними розмірами НКТ.



Рисунок 1.7 - Проведення комплексних робіт за технологією ультразвукової дії

Таблиця 1.1 Основні технічні характеристики

Споживана потужність, кВт	10
Напруга трифазної мережі, В	380
Частота напруги живлення, Гц	50
Коефіцієнт потужності	0,95
Акустична потужність, Вт	1500
Частота випромінювання, кГц	20
Напруга збудження, В	600
Струм збудження, А	10
Струм поляризації А	16
Напруга поляризації, В	300
Габаритні розміри випромінювача, L/О мм	1750/42 (1000/115)
Маса випромінювача, кг	8
Габаритних розмірів генератора, мм	510x455x250
Маса генератора, кг	25

Комплект ультразвукового устаткування для відновлення продуктивності нафтовидобувних свердловин «Вулкан»

Комплект сучасної апаратури, призначений для ультразвукової і термічної обробки призабійної зони нафтових свердловин[27].

Така комбінована обробка дозволяє значно підвищити нафтовидобування свердловин, продуктивність яких знизилася до 20 і більше відсотків від первинного рівня і відновити її до 80 відсотків і вище.

Середній термін окупності 3-4 місяці, технологічний ефект від 200 до 700 і більше тонн на 1 обробку по добувних свердловинах, і від 400 до 1400 тонн на 1 обробку по нагнітальних свердловинах, тривалість ефекту до 12 місяців.

Переваги (в порівнянні з відомим аналогічним устаткуванням):

- принципово нова конструкція випромінювача дозволила в умовах обмеженої геофізичним кабелем електричної потужності істотно підвищити випромінювану акустичну потужність за рахунок високого ККД випромінювача і збільшення кількості і щільності його активних зон;

- покращено сервісне обслуговування генератора;

- на вбудованих стрілочних приладах можна спостерігати величини активної і реактивної потужності, а на цифровому табло - амплітуду вихідної напруги або середнє значення струму, робочу частоту або час роботи, що залишився;

- генератор забезпечений системою що забезпечує захист його і геофізичного кабелю від перенапружень і екстраструмів, а також захист самого генератора від перевищення температури силових елементів;

- генератор допускає короткочасне (до 10 хвилин) підвищення живлячої напруги до 500 В;

- генератор дозволяє проводити налаштування робочої частоти і інших режимів залежно від умов роботи випромінювача;

- генератор дозволяє проводити налаштування робочої частоти і інших режимів залежно від умов роботи випромінювача.

B комплект постачання входять один генератор і два випромінювачі.

Обслуговування устаткування проводиться одним оператором і не вимагає високої кваліфікації. Середній час обробки свердловини складає 24 години[2].



Таблиця 1.2 Основні технічні характеристики

Споживана потужність, не більше, кВт	4,0
Вихідна потужність генератора, регульована, не менше, кВт	3,5
Вихідна потужність на випромінювачі, не більше, кВт	1,0
ККД випромінювача, не менше, %	85
Діапазон амплітуди вихідної напруги генератора, В	50-700
Діапазон робочих частот, кГц	18-24
Живляча напруга трифазної мережі, В	380
Довжина геофізичного кабелю, км	2-5
Гідростатичний тиск, не більше, мПа	40
Температура в свердловині, не більше, °С	120
Габаритні розміри генератора, мм	500х500х270
Маса генератора, не більше, кг	25
Маса випромінювача, не більше, кг	10

В даний час випущено 11 комплектів устаткування, які експлуатуються на Російських і зарубіжних родовищах нафти.

Компанією "РЕЛТЕК" розроблені:

- технологія обробки нафтових свердловин з метою підвищення дебіта свердловини з ультразвуковим очищенням зони перфорації від парафінових і соляних відкладень;

- технології пониження в'язкості і температури замерзання нафти в умовах транспортування в трубопроводах і нафтоналивних ємкостях;

- технологія запобігання сольовим відкладенням на стінках трубопроводах, а також в зонах зміни швидкості і направлення потоку нафтопродуктів;

- технології приготування водо-мазутних і водо-бітумних сумішей для транспортування і утилізації важких нафтопродуктів;

- технології дегазації нафти і нафтопродуктів, а також сонохімічні реактори для розчинення в нафті хімічних реагентів і присадок.



Рисунок 1.8 - Сонореактор

Основою технології ультразвукової дії на нафту є сонореактор, побудований на базі кільцевого магнітострикційного випромінювача.

Рисунок 1.9 - Сонореактор

Компанією випускається велика різноманітність сонореакторів з частотою випромінювання 8-44 кГц, ефективним діаметром 65-150 мм і потужністю 0,5-5 кВт. У закритих об'ємах і резервуарах можуть бути застосовані занурені випромінювачі спеціального виконання[28].

НВО «Енергомашавтоматика» випускає ультразвуковий гідродинамічний генератор (УЗГ генератор) у вигляді компактного проточного реактора [29], який був розроблений під великі промислові продуктивності, тому в нафтовій промисловості, можливо, його застосування для:

- Обробки нафти безпосередньо в свердловині при видобутку з метою усунення асфальтено-смоли-парафінових відкладень (АСПО) на стінках насосно-компресорних труб (НКТ). Дана технологія випробувана на свердловині і запатентована.

- Досягнуто повне усунення АСПО і досягається значне збільшення виходу легких фракцій з обробленої в свердловині нафти при крекінгу.

- Підготовка нафти для транспортування по трубопроводах як результат її обробки у вихровому УЗ генераторі здійснюється в проточному режимі, що призводить до зменшення в'язкості нафти, деструкція парафінів призводить до зменшення відкладень на стінках труб;

- Створіння не колонних схем одержання з нафти легких фракцій.

Товариство з обмеженою відповідальністю «Геофізмаш» розроблено прилади свердловинні акустичної цементометріі «Кедр-АКТ-60ц-150/60», «Кедр-АКТ-60ц-120/60», «Кедр-АКТ-60ц-150/100», «Кедр-АКТ-60ц-120/100 »призначені для визначення висоти підйому цементу та оцінки якості зчеплення цементу з породою і обсадної колоною. Розраховані на роботу як з трижильним (використовуються дві жили), так і з одножильним геофізичним кабелем довжиною до 5500 м [30].

Рисунок 1.10 - Прилад свердловинний акустичної цементометріі «Кедр-АКТ-60ц-150/60»



Комплект ультразвукового устаткування для відновлення продуктивності нафтовидобувних свердловин «Кавітон». Це комплект сучасної апаратури, призначений для ультразвукової та термічної обробки привибійної зони нафтових свердловин. Така комбінована обробка дозволяє значно підвищити нафтовидобуток свердловин, продуктивність яких знизилася до 20 і менше відсотків від початкового рівня, відновить її до 80 відсотків і вище. Експлуатація обладнання здійснюється в польових умовах нафтових промислів і розміщується в каротажній станції. Обробка свердловини ведеться за допомогою безперервного сигналу протягом декількох годин або декількох діб залежно від місцевих умов (глибини, інтервалів і вибраних режимів впливу). Може проводитися спільно з каротажем, не порушуючи технологічного циклу обслуговування свердловин [31].

Принципово нова конструкція випромінювача

1. Дозволила істотно підвищити випромінюється акустичну потужність за рахунок високого ККД випромінювача і збільшення кількості і щільності його активних зон.

2. Спрощено сервісне обслуговування генератора за рахунок автоматичної настройки на резонанс випромінювача і стабілізації вхідного опору системи генератор-випромінювач;

3. Генератор забезпечений системою забезпечує захист його від перенапруг і екстраструмів, а також захист самого генератора від перевищення температури силових елементів;

4. Істотно знижені втрати потужності на кабелі за рахунок передачі постійного струму;

5. Забезпечено збільшення робочого ресурсу випромінювача за рахунок реалізації по секційно усереднення потужності;

6. Зменшено масогабаритні показники;

7. Знижено споживана в мережі потужність при збільшенні потужності, що підводиться до випромінювача, при довжині кабелю понад 2000 метрів.

Комплект поставки включає:

Джерело живлення, що перетворить напруга електромережі змінного струму в регульоване стабілізовану напругу постійного струму;

Геофізичний кабель (в комплект поставки не входить), що подає напругу постійного струму на свердловинний модуль;

Свердловинний модуль, що перетворює напругу постійного струму в напругу змінного струму з частотою, автоматично настроюється на робочу частоту п'єзокерамічного ультразвукового випромінювача;

П'єзокерамічний випромінювач (в комплект поставки входять два випромінювача), що перетворює напругу змінного струму в механічні коливання, що створюють потужне ультразвукове акустичний тиск в навколишньому середовищі.

Технологічний ефект:

- від 200 до 700 і більше тонн на одну обробку по видобувним свердловин;

- від 400 до 1400 тонн на одну обробку по нагнітальним свердловинах.

Рисунок 1.11 - Комплект ультразвукового устаткування для відновлення продуктивності нафтовидобувних свердловин «Кавітон»

У даному пристрої забезпечується незалежна робота кожного п'єзоперетворювача 3, розміщеного в корпусі 2. Це обумовлено взаємним розташуванням п'єзоперетворювачів 3. Таке конструктивне виконання дозволяє підвищувати вибірковість акустичного впливу на свердловину, привибійну зону, пласт.

Верхній і нижній корпуси 2 з'єднуються між собою металевими тросами 9 (4 шт.) І деталлю 8, утвореної резино-пластикової заливкою місця стику двох корпусів 2 з невеликим проміжком. Таке конструктивне виконання забезпечує гнучкість, що дозволяє безперешкодно проходити викривлені ділянки свердловини. Крім того, з'єднання корпусів 2 за допомогою металевих тросів і деталі 8 забезпечує підвищення поперечної податливості корпусів 2, що підвищує ККД випромінювання в радіальному напрямку.

Кріплення та герметизація корпусу 2 відбуваються за рахунок стиснення і розширення в радіальному напрямку гумової прокладки 6 стискаючими гайками 11, які прикріплені до втулок 7 (пригвинчені або приварені). Гаки 11 мають виступаючі частини, що забезпечують прикріплення до них металевих тросів 9. З них виконується петля (замкнутий з'єднання), яка одночасно накидається на виступаючі частини гайок 11, розташованих у двох сусідніх корпусах 2.

П'єзокерамічні шайби скріплюються впритул один до одного за допомогою металевих шайб, гвинта 13 і гайки 14. Попереднє напруження п'єзокерамічних шайб здійснюється за допомогою гвинта 14 і гайки 15. За допомогою заданої напруги можливо налаштувати частоту резонансу і значення імпедансу кожного п'єзоперетворювача 3 під необхідні значення в момент збірки. Для додаткового ущільнення та уникнення потужних коливань у корпус встановлюються поршні 4, ущільнюючі 10 та стопорні кільця 5.

Електроживлення до п'єзоперетворювачів подається по проводах 11, які проходять через канал для електропроводів. П'єзоперетворювачі 3 під'єднуються до проводів 12 по паралельній схемі. Провід 12 між двома сусідніми корпусами 2 з'єднуються за допомогою стандартних геофізичних сполучних вузлів («п'ятаків») 13 і заливаються резино-пластиком. Для запобігання попадання резино-пластика всередину корпусу 2 в циліндричні отвори втулок 7 встановлені гумові пробки 16.

Блок електроніки герметично з'єднаний з корпусом 2 (на малюнку не показано), призначений для формування сигналу з робочою частотою п'єзоперетворювачів 3 і для автоматичного коректування параметрів роботи п'єзоперетворювачів 3 (частота, напруга, фазовий зсув) безпосередньо під час роботи залежно від результатів обробки в блоці електроніки сигналів, що знімаються з вбудованих датчиків контролю роботи п'єзоперетворювачів 3.

Корпусні деталі свердловинного акустичного приладу виконані з нержавіючої сталі 95X18 і алюмінієвих сплавів. Шайби п'єзоперетворювачів 3 виконані з кераміки ТБК-3. Блок електроніки виконано на загальнопромислових елементах.

Повністю змонтований і сполучений з наземною апаратурою свердловинний ультразвуковий прилад 1 піддають перевірці на працездатність, при цьому наземна апаратура працює в режимі діагностики та видає повідомлення про характер несправності або підтверджує можливість роботи. Після цього його опускають у свердловину і включають електроживлення.

Промислову напругу, після перетворень в наземному блоці (частота, напруга, сила струму, фазовий зсув), через геофізичний кабель або шланго- кабелю подається на свердловинний ультразвуковий прилад 1. Напруга, через блок електроніки, подається на п'єзоперетворювачі 3, де, за рахунок п'єзоефекту, виникають акустичні коливання, механічна енергія яких впливає безпосередньо на корпус 2. У свою чергу корпус 2 передає акустичну хвилю безпосередньо в навколишнє випромінювач середу.

Під дією тиску в ізольованих від решти поверхні п'єзокерамічних шайб сегментах (датчиках тиску) виникає електричний сигнал, що надходить в блок електроніки, в результаті обробки якого відбувається коригування параметрів (частота, напруга, фазовий зсув) електричних сигналів.

П'єзоелектричний ефект-явище, що характеризує виникнення електричної поляризації (індукції) під дією механічних напруг або виникнення деформації під дією електричного поля в деяких речовинах (п'єзокристала). Якщо п'єзоелектричну пластину, вирізану певним чином, піддати дії механічної напруги (стиску, розтягу, зсуву), то на її поверхні з'являються електричні заряди, обумовлені поляризацією, - це так званий прямий п'єзоефект; при внесенні такої пластинки в електричне поле виникає її деформація, лінійно залежна від напруженості електричного поля, - зворотний п'єзоефект.

Механізм прямого п'єзоефекту пояснюється виникненням або зміною дипольного моменту елементарної комірки кристалічної решітки в результаті зсуву зарядів під дією механічних напруг. При дії електричного поля на елементарні заряди в комірці приходить їх зміщення і як наслідок зміна середніх відстаней між ними, тобто деформація (зворотний п'єзоефект).

Необхідна умова існування п'єзоелектричного ефекту - відсутність у кристала центру симетрії. Тільки в цьому випадку додаток напруг може призвести до появи нескомпенсованого електричного заряду, тобто до виникнення поляризації. П'єзоелектриків є кварц, турмалін, сенгетова сіль, титанат барію та ін [32].

П'єзоелектричні елементи ідеальні при використанні як електромеханічні перетворювачі. Вони досить широко використовуються для виготовлення п'єзокерамічних компонентів, вузлів і пристроїв. Деякі п'єзокерамічні елементи вже споконвічно можуть виконувати функції компонента чи вузла (наприклад, пластинчасті біморфи) і не потребують додаткової доопрацюванні.

П'єзокерамічні перетворювачі призначені для перетворення електричної енергії в механічну. Так само як і актюатори, грунтуються на принципі зворотного п'єзоефекту.

Перетворювачі в залежності від діапазону частот підрозділяються на три види:

- звукові (нижче 20 кГц) - зумери, телефонні мікрофони, високочастотні гучномовці, сирени і т. п .;

- ультразвукові - високо інтенсивні випромінювачі для зварювання та різання, мийки та очищення матеріалів, датчики рівня рідин, дисперсійні розпилювачі, генератори туману, інгалятори, зволожувачі повітря. Значною групою виділяються так звані ультразвукові вимірники відстані в повітряному середовищі (Air Transducers), що є п'єзокерамічними компонентами. Вони використовуються в якості вимірників відстані для автотракторної техніки, сенсорів наявності та руху в охоронних системах, в рівнемірах, для дистанційного контролю та управління, в пристроях відлякування птахів, звірів і сільськогосподарських шкідників і т. Д. Виробляються пристрої трьох типів: передавальні, приймальні та приймально-передавальні;

- високочастотні ультразвукові - устаткування для випробування матеріалів і неруйнівного контролю, діагностика в медицині і промисловості, лінії затримки і т. д [33].



Розділ 2 Розрахунок напруги холостого ходу п'єзоелектричних перетворювачів для деформації по товщині (ТД)

Визначаємо резонансну частоту fр за формулою (3.1):

,

де f0 - власна частота п'єзоелектричного перетворювача, яка обчислюється за формулою (3.2):

,

Анти резонанснa частота п'єзоелемента, що має форму диска дорівнює власній частоті:

,

Розраховуємо частотний коефіцієнт Nf, який часто називається частотною постійною за формулою (3.3):

,

Розрахуємо швидкість звуку Сзв в п'єзомодулі використовуючи резонансну частоту fр за формулою (3.4):

,

Знаючи геометричні розміри п'єзомодуля, і використовуючи формулу (3.5) розрахуємо площу виникнення заряду S:

,

Розрахуємо максимальну механічну напруги уmax під дією максимальної сили Fmax за формулою (3.6):

,

Допустиме механічне напруження при стисканні (уsg) п'єзоелемента, виконаного з п'єзокераміки ТБК-3, становить 24. Зробимо перевірку умови:

уmax?уsg

.

Розрахуємо власну ємність перетворювача C0 за формулою (3.7):

,

Так як у нас перетворювач виконується з 5 пластин, то його сумарна ємність складе:

,

Визначимо величину заряду q, що виникає на обкладинках за формулою (3.8):



,

Тоді напругу холостого ходу Uхх визначаємо за формулою:

,

Розрахунок напруги холостого ходу п'єзоелектричного перетворювача показав, що напруга на електродах залежить не тільки від прикладеної сили, а й від того, як цю силу прикладають напругу холостого ходу п'єзоелектричного перетворювача для деформації по ширині, обрано оптимальну кількість поляризованих пластин для одного п'єзокерамічного перетворювача та загальну кількість перетворювачів у пристрої.

Размещено на Allbest.ru

...