Фокусирование цилиндрических расходящихся волн в приложении к задачам скважинной геоакустики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фокусирование цилиндрических расходящихся волн в приложении к задачам скважинной геоакустики

При использовании акустических полей в приложениях, часто возникают ситуации, когда сама геометрия диктует те или иные формы излучающих апертур. Особенно это заметно при рассмотрении проблемы излучения акустических полей из скважин.

Диаметры скважин, используемых как в научных, так и практических целях, имеют в подавляющем большинстве случаев малые волновые размеры, что приводит к необходимости использования акустических источников с одномерными излучающими апертурами. Такие источники дают акустическое поле, имеющее либо сферическую, либо цилиндрическую расходимость. Подобная «ограниченность в средствах» создает часто непреодолимые трудности на пути получения различных акустических эффектов во многих скважинных задачах, связанных как с исследованием окружающего пространства, так и с воздействием на скважинные геотехнологические процессы.

По всей видимости, единственным способом как-то обогатить акустическую ситуацию для скважинных антенн является введение различных фазовых распределений вдоль образующей протяженной антенны, создающей цилиндрическую расходимость.

В теории гидроакустических антенн рассмотрены некоторые, связанные с этим, проблемы. Так, подробно исследованы вопросы формирования характеристик направленности, изучены коэффициенты концентрации и т.д. компенсированных линейных непрерывных и дискретных антенн как в свободном пространстве (под компенсацией имеется ввиду фазовое распределение, обеспечивающее синфазность всех элементов антенны относительно заданного направления), так и в волноводах.

На основе использования линейных протяженных антенн ограниченной апертуры строятся эффективные алгоритмы выделения слабых рассеянных сигналов на фоне мощных помех в морской акустике.

Задачи, решаемые в теории гидроакустических антенн, возникли из нужд их практического использования, которые, в общем случае, существенно отличаются от нужд практического использования скважинных антенн. В подавляющем большинстве работ, где обсуждаются те или иные свойства гидроакустических линейных непрерывных или дискретных антенн рассматривается зона дифракции Фраунгофера (исключением является цикл работ Зверева В.А., где исследуются возможности приемной линейной антенны, способной, так или иначе, оценивать кривизну принимаемого ею волнового фронта). Для скважинных протяженных акустических антенн принципиальным является постановка проблемы компенсации цилиндрической расходимости для увеличения амплитуды создаваемого ею поля в околоскважинной зоне и рассмотрение, таким образом, зоны дифракции Френеля.

Действительно, существуют два основных типа скважинных акустических задач. Во-первых, это задачи диагностики или задачи исследования из скважин. Во-вторых, это задачи воздействия на различные скважинные геотехнологические процессы (имеется ввиду нефте- газодобыча, подземное выщелачивание редких металлов, подземное растворение солей и др.). Задачи акустического исследования из скважин пока исчерпываются устоявшимися технологиями акустического каротажа, чаще всего односкважинного, где измеряются скорость звука и затухание акустических волн в околоскважинном пространстве.

В существующих технологиях акустического каротажа используемые скважинные акустические источники создают расходящиеся фронты, применение же сложных фазовых фронтов может существенно обогатить ситуацию. Применяя, например, фазовые фронты, создающие контрастность по полю в околоскважинной зоне, можно получить достоверную информацию, как о линейных, так и о нелинейном параметре среды. Более того, отвлекаясь от скважинной проблематики, здесь можно построить метод нелинейной диагностики фокальной области сфокусированного пучка в оптически непрозрачных средах.

Второй тип скважинных акустических задач является не менее актуальным. Дело в том, что с физической точки зрения все геотехнологические процессы, связанные с добычей полезных ископаемых, есть не что иное, как процессы тепло- массопереноса в многофазных средах, а влияние упругих полей на подобные процессы известно и является широко обсуждаемым в различных приложениях.

Технологии, использующие различные виды акустического воздействия из скважин, уже давно существуют, например, в нефтепромысловом деле (воздействие монохроматическим акустическим полем различного частотного диапазона; воздействие импульсами от пластоиспытателей, искровых источников; виброударная обработка и др.).

Подобные технологии, так или иначе, способствуют решению промысловых задач (увеличение дебита добывающих скважин, вызов притока жидкости из пласта в простаивающих скважинах, повышение приемистости нагнетательных скважин).

Известно, что физико-химические механизмы акустического воздействия проявляются существенно эффективней с ростом интенсивности акустического поля и радиуса озвучиваемой зоны.

Основной причиной ограничения интенсивности излучаемого поля является малость диаметров сооружаемых эксплуатационных скважин (сейчас, в основном, в эксплуатации находятся скважины с внешним диаметром от 140 до 245 мм) и единственно реальная возможность увеличения энергии акустического поля в прискважинной зоне заключается в создании антенн, распределенных вдоль оси скважины. Существующие технические решения позволяют в данном случае несколько увеличить энергию акустического поля в нефтяном пласте за счет уменьшения геометрической расходимости энергии этого акустического поля. Тем не менее, цилиндрически расходящийся фронт не самый эффективный фазовый фронт для воздействия на прискважинную зону. Более эффективен будет тот фазовый фронт, который даст возможность как-то скомпенсировать непреодолимую, в ситуации линейной протяженной антенны, цилиндрическую расходимость. Очевидно, что таким фазовым фронтом будет сфокусированный фазовый фронт, который создан специфическим фазовым распределением вдоль образующей протяженной цилиндрической антенны. Вообще говоря, теория фокусирования акустических волн достаточно хорошо разработана. Тем не менее, проблема фокусирования расходящихся цилиндрических волн ранее не ставилась, по всей видимости, потому, что не ясна была область применения подобных исследований, и изучались ситуации, связанные с фокусированием акустических волн из «закрытых» апертур (линзы, рефлекторы, концентраторы и т.д.).

Таким образом, методы формирования сфокусированных цилиндрически расходящихся фронтов и вопросы, связанные с их распространением, представляют значительный интерес, так как они востребованы в такой обширной области как скважинная акустика.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы являлась разработка принципов и методов создания нового класса акустических антенн - фокусирующих скважинных излучателей, их реализация и тестирование в различных масштабных экспериментах.

В задачи работы входило:

1. Разработка теоретических основ метода увеличения интенсивности акустического поля в околоскважинном пространстве с помощью создания фокусирующих фазовых распределений вдоль образующей протяжённой скважинной антенны.

2. Физическое и математическое моделирование метода фокусирования цилиндрически расходящегося поля с помощью создания дискретных фазовых распределений на начальной апертуре. Оценка эффективности цилиндрической зонной линзы для создания нового класса акустических приборов - фокусирующего скважинного излучателя.

3. Решение проблемы оптимального согласования линейной протяжённой антенны, находящейся в заполненной жидкостью скважине, с массивом.

4. Разработка и изготовление фокусирующих скважинных излучателей, и их экспериментальное исследование.

5. Планирование и проведение полевого эксперимента по акустическому воздействию на процесс подземного выщелачивания с помощью фокусирующих скважинных излучателей. Анализ результатов.

6. Оценки возможности использования фокусирующих скважинных излучателей в актуальных задачах скважинной геоакустики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны теоретические основы метода увеличения интенсивности цилиндрически расходящегося поля с помощью начальных фазовых распределений, позволяющих в определённой области пространства компенсировать начальную цилиндрическую расходимость. Математически промоделирована ситуация фокусирования расходящейся цилиндрической волны бесконечной апертуры с произвольным непрерывным распределением фазы и амплитуды по начальной апертуре. В широкой области параметров получены и проанализированы двумерные выражения для давления и компонент скорости. Рассмотрены особенности фокусирования, возникающие при ограничении апертуры.

2. Физически и математически смоделирован метод фокусирования цилиндрически расходящегося поля с помощью создания дискретных фазовых распределений на начальной апертуре. Показано, что распределение зон Френеля на расходящемся цилиндрическом фронте существенно отличается от плоского и сферического случаев. В широкой области параметров получены и проанализированы двумерные выражения для давления и компонент скорости в поле, создаваемом цилиндрической зонной линзой Френеля. Поведение акустического поля цилиндрической зонной линзы исследовано экспериментально, получено совпадение с теорией. Экспериментально найдены и исследованы различные варианты создания цилиндрической зонной линзы.

3. Решена проблема оптимального согласования протяжённой пьезокерамической антенны, находящейся в заполненной жидкостью скважине, с массивом. Впервые найдены импедансные граничные условия, позволяющие корректно описать некомпенсированную пьезокерамическую антенну, работающую в заполненной жидкостью скважине. Теоретически и экспериментально исследованы условия, приводящие к оптимальному согласованию системы пьезокерамическая антенна - скважина - массив.

4. Показано, что оптимальным типом фокусирующего скважинного излучателя является антенна, собранная в виде цилиндрической зонной линзы. Произведено математическое моделирование работы пьезокерамической некомпенсированной антенны, собранной в виде цилиндрической зонной линзы, находящейся в заполненной жидкостью скважине и излучающей сфокусированное акустическое поле в твёрдую среду.

5. На основе разработанных модельных представлений об оптимальном типе фокусирующего скважинного излучателя впервые изготовлены и испытаны скважинные акустические источники с возможностью фокусирования акустического поля.

6. Разработаны принципы создания фокусирующего акустического скважинного излучателя с переменным фокусным расстоянием.

7. Впервые проведён полевой эксперимент по акустической интенсификации процесса подземного выщелачивания редких металлов. Показано, что использование сфокусированных акустических поле для интенсификации скважинных геотехнологических процессов обладает значительной перспективой.

8. Впервые предложен односкважинный метод исследования нелинейных параметров околоскважинного пространства с возможностью получения информации о нелинейных характеристиках среды, находящейся вне нарушенной прискважинной зоны.

Совокупность научных результатов диссертации может рассматриваться как существенный вклад в решение целого ряда актуальных научных и практических задач скважинной геоакустики. Вклад заключается в разработке методов и принципов излучения из скважин сфокусированных акустических полей, что позволило разработать новейшие технологии и оборудование для воздействия акустическими полями из скважин на геотехнологические процессы, и создать принципиально новые методы диагностики околоскважинного пространства.

Практическая ценность работы

Настоящая диссертационная работа представляет собой замкнутый цикл исследований, начиная от создания теоретических основ метода увеличения интенсивности цилиндрически расходящегося поля с помощью начальных фазовых распределений и заканчивая тестированием в полевых экспериментах образцов разработанного и изготовленного оборудования.

В результате проведённых исследований создан совершенно новый класс акустических скважинных излучателей - излучателей с возможностью фокусирования акустической энергии в прискважинной зоне. На основе данных разработок возможно существенное развитие (как это показано в диссертации) действующих скважинных акустических технологий и создание новых. Особенную ценность скважинные фокусирующие излучатели имеют для создания технологий акустической интенсификации различных скважинных геотехнологических процессов, таких как нефте - газодобыча, подземное выщелачивание, подземное растворение солей и др. Подобная роль скважинных фокусирующих излучателей связана с тем, что лишь такой тип излучателей может радикально увеличить интенсивность акустического поля в прискважинной области.

Более того, в работе показана возможность использования подобных излучателей для избирательного воздействия на небольшие локализованные участки в прискважинной зоне.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы повсеместно в горнодобывающих отраслях при совершенствовании скважинных добычных технологий. Проведёнными исследованиями доказаны преимущества скважинных акустических систем с возможностью фокусирования акустической энергии в около скважинной зоне перед существующими и показана перспективность их использования для интенсификации скважинных геотехнологических процессов. Фактически, исследования доведены до формулировки технических требований на создание многофункционального акустического комплекса акустической интенсификации скважинных геотехнологических процессов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработаны теоретические основы метода увеличения интенсивности цилиндрически расходящегося поля с помощью начальных фазовых распределений, позволяющих в определённой области пространства компенсировать начальную цилиндрическую расходимость. Теоретически и экспериментально исследованы возможные типы фокусировки цилиндрически расходящихся волн. Показано, что с помощью фокусировки расходящихся цилиндрических волн можно достичь значительной компенсации цилиндрической расходимости.

2. С целью разработки оптимального типа фокусирующего скважинного излучателя разработаны принципы фокусирования цилиндрически расходящихся волн с помощью дискретных начальных фазовых распределений. Показано, что закон образования зон Френеля на расходящемся цилиндрическом фронте существенно отличается от плоского и сферического случаев. Экспериментально исследована дифракция вблизи фокуса цилиндрической зонной линзы. Экспериментально найдены и исследованы различные варианты создания цилиндрической зонной линзы.

3. Построена модель оптимального фокусирующего скважинного излучателя. Определены предельные возможности фокусирования цилиндрически расходящегося акустического поля в твёрдой среде. В широкой области параметров получены и проанализированы двумерные выражения для полей, создаваемых сфокусированным цилиндрически расходящимся фронтом в твёрдой среде.

4. Показано, что работа в скважине реальной пьезокерамической (магнитострикционной) антенны описывается импедансными условиями, значительно отличающимися от идеальных граничных условий. Разработана процедура получения оптимальных условий согласования реальных протяжённых антенн, находящихся в заполненных жидкостью скважинах, с массивом. Результаты протестированы в полевом эксперименте.

5. Проведён первый в мире успешный эксперимент по акустической интенсификации подземного выщелачивания редких металлов. Показано, что сфокусированное акустическое поле является весьма эффективным средством воздействия на процессы подземного выщелачивания металлов, особенно из гидрогенных месторождений, находящихся на поздних стадиях эксплуатации.

6. Показано, что использование сфокусированного акустического поля для интенсификации скважинных геотехнологических процессов даёт возможности построения методов диагностики этих процессов. В проведённом полевом эксперименте показаны возможности определения такого параметра процесса как коэффициент фильтрации.

7. Предложено и обосновано применение фокусирующих акустических скважинных излучателей в актуальных задачах скважинной геоакустики, как в задачах интенсификации добычных геотехнологических процессов на примере подземного растворения солей, так и в задачах исследования околоскважинного пространства на примере создания метода нелинейного вертикального профилирования.

Апробация работы

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на Международных симпозиумах по нелинейной акустике (11-м Новосибирск, 1987г.; 14-м Нанкин, Китай, 1996г.; 16-м Москва, 2002г.; 18-м Стокгольм, 2008г.), на Всесоюзном семинаре «Нетрадиционные методы геофизических исследований неоднородностей в земной коре» (Москва, 1989г.), на 12-м Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Винница, 1989г.), на 11-ой Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991г.), на сессиях Российского акустического общества (11-ой, 2001г.; 13-ой, 2003г.; 15-ой, 2004г.; 16-ой, 2005г.; 18-ой, 2006г.; 19-ой 2007г.), на Нижегородской акустической научной сессии 2002г, на научных конференциях по радиофизике, Нижний Новгород (4-й, 2000г.; 5-й, 2001г.; 7-й, 2003г.; 8-й, 2004г.; 9-й, 2005г.; 10-й, 2006г.; 11-й, 2007г.), на Международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005г.), на 9-й Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2007г.), на Международной конференции “ACOUSTICS'08” (Париж, 2008г.)

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 60 работ в различных научных изданиях, из них 13 статей в журналах из списка ВАК (7 статей написаны без соавторов) и 6 авторских свидетельств и патентов.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялся выбор направлений, объектов и методов исследования, осуществлялись постановка лабораторных и полевых экспериментов и их проведение.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Работа изложена на 286 страницах и содержит 63 рисункa. Список литературы включает 390 наименований.

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, приводятся цели, научная новизна, практическая ценность работы и защищаемые положения, даётся краткая аннотация содержания глав.

Глава 1 посвящена общим представлениям о фокусировании расходящихся цилиндрических волн с целью компенсации цилиндрической расходимости. Ранее подобные задачи не рассматривались, поэтому потребовалось подробное рассмотрение вопросов, связанных с распространением цилиндрически расходящихся сфокусированных фронтов.

Очевидно, что фокусирование акустических полей можно обеспечить как непрерывным, так и дискретным распределением фазы по начальной апертуре. Для определенности, в работе первый тип назван фазовым типом фокусировки, а второй - дифракционным.

В первой главе анализируется именно фазовый тип фокусирования расходящихся цилиндрических волн. Детально рассмотрены дифракционные задачи, связанные с распространением цилиндрически расходящихся фронтов с различными граничными фокусирующими фазовыми распределениями. Кроме этого представлен анализ проблемы в рамках «геометрической акустики». Показано, что возможно даже одномерное описание цилиндрически расходящегося сфокусированного фазового фронта, а с точки зрения «нелинейной геометрической акустики» рассматриваемый фронт является, в некотором смысле, классическим, описываемым подобно плоскому, сферическому и цилиндрическому фронтам. Показано также, что в рамках данного подхода возможно получения критерия, с помощью которого можно оценить необходимость учёта «нелинейного затухания» при распространении исследуемого фронта в сильно нелинейной среде.

В п. 1.1 рассматривается модельная дифракционная задача о распространении цилиндрически расходящегося сфокусированного фазового фронта с бесконечной начальной апертурой. Для выяснения общих закономерностей и наглядности выбрана наиболее простая постановка задачи с параболическим распределением фазы и гауссовым распределением амплитуды по начальной апертуре. При этом полностью описана конфигурация поля, создаваемого таким волновым фронтом. Получены двумерные выражения для давления и обеих компонент колебательной скорости. Определены коэффициенты усиления и размеры фокуса. Показана возможность полной компенсации цилиндрической расходимости при фокусировании расходящейся цилиндрической волны.

В п. 1.2 решена модельная задача в постановке п. 1.1, но при произвольном распределении амплитуды по начальной апертуре. Единственным ограничением на распределение начальной амплитуды является симметричность распределения относительно плоскости симметрии задачи, что соответствует практике конструирования реальных антенн. Приведенные в данном пункте методы позволяют рассмотреть широкий класс функций неравномерности амплитуды по начальной апертуре в подобных задачах.

В п. 1.3 исследован вопрос о существенности поправок к полю, возникающих в результате замены бесконечной излучающей апертуры в задаче п. 1.1 на ограниченную отрезком . При этом выяснено, что поправка в интересной для технических приложений области параметров , , невелика и не превышает 3% от основного поля ( - фокусное расстояние, - модуль волнового вектора, - полуширина гауссова пучка).

В п. 1.4 решена задача о распространении цилиндрически расходящейся волны ограниченной апертуры со сферическим распределением фазы по начальной апертуре. Показано, что сферическое начальное распределение превосходит параболическое в плане компенсации цилиндрической расходимости. Показано также, что параболическое и сферическое начальные распределения на расходящейся цилиндрической апертуре создают поля одинаковой контрастности.

В п. 1.5 показано, что анализ ситуации возможен даже в рамках геометрической акустики и оценки, которые можно получить в рамках этого метода, близки к полученным при более строгом рассмотрении задачи. Показано также, что в рамках уже «нелинейной геометрической акустики» рассматриваемый фазовый фронт, с точки зрения единого описания, можно назвать классическим, наряду с плоским, сферическим и цилиндрическим. Получен критерий, с помощью которого можно оценить необходимость учёта «нелинейного затухания» при распространении исследуемого фронта в сильно нелинейной среде.

В заключение кратко сформулированы результаты, полученные в первой главе.

В Главе 2 теоретически и экспериментально исследован дифракционный способ (зонный принцип) фокусировки расходящихся цилиндрических волн.

Известно, что фокусировку можно создать и дискретным распределением фазы. Ярким примером тому являются хорошо исследованные зонные пластинки и линзы. Известно также, что зонные системы не могут, в принципе, конкурировать с точки зрения фокусирующих свойств с системами с непрерывным распределением фазы. И единственным достоинством, с точки зрения «потребительских» качеств, может оказаться простота исполнения зонных структур, особенно, если говорить об излучающих системах. Действительно, создание квазинепрерывных фазовых распределений целесообразно только в приемных антеннах, а в излучающих силовых антеннах этот путь наталкивается на часто непреодолимые сложности. Имеются в виду, например, проблемы создания линий задержки с устойчивыми параметрами, которые способны пропускать большие мощности, особенно, если антенны предназначаются для работы в жестких условиях (высокие давления и температура, малость волновых размеров излучателей), например, в скважинах или в морской гидроакустике на большой глубине.

Основным приложением, разрабатываемых в данной диссертационной работе вопросов, является скважинная геоакустика, где дифракционный способ фокусирования может оказаться наиболее пригодным по совокупности признаков, чем фазовый, а единственно разумным типом фокусирующего скважинного излучателя, по всей видимости, является цилиндрическая зонная линза.

Если теория зонных структур на плоскости и на сфере является классическим моментом теории дифракции, то теории зонной линзы и пластинки на расходящейся цилиндрической апертуре просто не существует. Данная глава посвящена, во многом, построению этой теории и её экспериментальной проверке.

В п. 2.1 получено решение модельной задачи об излучении кольца на цилиндре, в виде необходимом для исследования фокусирующих свойств цилиндрической зонной линзы. При этом показано, что условия образования зон Френеля (в виде колец) в цилиндрическом случае существенно отличаются от таковых для плоского или сферического случаев. Закон образования зон Френеля на цилиндрически расходящемся фронте выглядит следующим образом (для сравнения в правой колонке указан закон для плоского и сферического случаев):

В п. 2.2 для цилиндрических зонных линзы и пластинки получены двумерные распределения давления и компонент колебательной скорости, исследована их зависимость от параметров, определены коэффициенты усиления. Выделена область параметров, где дифракционная фокусировка практически не уступает фазовой по коэффициентам усиления.

В п. 2.3 приведены результаты экспериментального исследования фокусирующих свойства цилиндрической зонной линзы. Описаны экспериментальная установки и изготовленные модели цилиндрических протяжённых антенн. Произведено экспериментальное сравнение полей, создаваемых зонными линзами, собранными по «плоскому» и «цилиндрическому» законам и обычной цилиндрической расходимостью. Показана справедливость теоретических оценок полей, сделанных в предыдущих разделах.

В п. 2.4 на примере экспериментальных моделей продемонстрированы различные варианты технического исполнения цилиндрической зонной линзы. Показано, что существуют весьма эффективные варианты технической реализации цилиндрической зонной линзы, для изготовления которых требуется существенно меньше активных элементов. Причём по фокусирующим свойствам данные модели зонной линзы «с не полностью заполненной апертурой», практически не уступают основному («теоретическому») варианту цилиндрической зонной линзы.

В п. 2.5 цилиндрическая зонная линза рассматривается как система с переменным фокусом (при заданных размерах зон Френеля положение фокуса меняется при изменении частоты излучения). Качество это может оказаться весьма важным при использовании в геотехнологиях скважинных фокусирующих антенн, собранных в виде цилиндрических зонных линз. Особенно это касается задач воздействия на скважинные добычные процессы акустическим полем, когда необходимо создать требуемую интенсивность акустического поля в заданной области околоскважинного пространства. Так же в данном пункте обсуждаются некоторые ограничения на возможность изменения положения фокальной области у реальных антенн. Ограничения связаны с конечной добротностью реальной антенны и существованием резонансных свойств у системы антенна - скважина - массив. Приведены так же результаты лабораторных экспериментов по исследованию эффективности фокусирования зонными линзами различной конструкции в зависимости от частоты излучения.

В заключение кратко сформулированы результаты, полученные во второй главе.

В Главе 3 рассматривается круг задач, без постановки и решения которых трудно описывать реальные ситуации, связанные с излучением акустического поля из скважины в массив. Этот круг задач связан с анализом особенностей, возникающих при применении в качестве скважинного излучателя антенны, имеющей определённые материальные характеристики. Особенности связаны с тем, что излучающую поверхность антенны нельзя описать с помощью идеальных граничных условий, давление и скорость на излучающей поверхности антенны связаны всегда определённым образом. От этой особой связи между характеристиками поля на активной поверхности антенны зависят условия согласования антенны, находящейся в заполненной жидкостью скважине, с массивом.

В данной главе особое внимание уделено наиболее эффективному типу стрикционных акустических излучателей - протяжённой некомпенсированной пьезокерамической антенне и рассмотрены условия резонансного прохождения акустической энергии от подобной антенны в массив через жидкий слой.

В п. 3.1 обсуждается постановка задачи, и анализируются существующие методы и подходы к описанию прохождения акустической энергии от скважинного акустического источника в массив через жидкий слой.

В п. 3.2 с помощью подхода, связанного с использованием эквивалентных электромеханических схем находится граничное условие, описывающее движение излучающей границы некомпенсированного пьезокерамического преобразователя, находящегося в жидкости:



здесь - потенциал смещения в жидкости, - плотность жидкости, - частота излучения, - механический импеданс преобразователя, n - коэффициент электромеханической трансформации, при этом антенна возбуждается переменным электрическим напряжением , где - нормированное распределение электрического напряжения вдоль образующей протяжённой цилиндрической антенны.

В п. 3.3 формулируется дифракционная задача об излучении протяжённой пьезокерамической антенны в скважине с учётом граничного условия, полученного в п. 3.2, и находится выражение для полей объёмных деформаций в массиве, которое в дальнейшем необходимо для анализа условий оптимального прохождения акустической энергии от антенны в массив. Поле сдвиговых деформаций в массиве при возбуждении упругих волн протяжённой антенной мало, в данном случае предполагается, что характерный масштаб изменения функции много больше длины поперечной волны в массиве.

В п. 3.4 анализируются условия резонансного прохождения акустической энергии от протяжённой пьезокерамической антенны в массив через жидкий слой. Исследуется зависимость эффекта от различных параметров задачи, таких как геометрические характеристики системы, отношение материальных констант внутрискважинной жидкости и массива и тд. Показано, что учёт электромеханических характеристик акустического преобразователя приводит к тому, что условия резонансного прохождения акустической энергии от излучателя в массив через жидкий слой существенно отличаются от «полуволновых» и это необходимо учитывать при планировании акустических скважинных экспериментов. Представлено также сравнение экспериментальных данных, полученных в результате натурного скважинного эксперимента, с приведённым в Главе 3 теоретическими оценками оптимальных режимов излучения упругих волн из скважины с помощью протяжённой пьезокерамической антенны. При этом продемонстрировано хорошее согласавание теоретических оценок и экспериментальных данных.

В заключение кратко сформулированы результаты, полученные в третьей главе, и сделаны необходимые замечания о подходах к решению задач о согласовании скважинного акустического излучателя с массивом для других типов преобразователей, например, для компенсированного пьезокерамического и магнитострикционного.

В Главе 4 подробно исследуются упругие поля, создаваемые оптимальным типом фокусирующего скважинного излучателя в массиве, исследуются предельные возможности скважинных фокусирующих систем. Обсуждается проблема создания фокусирующих скважинных излучателей с переменным фокусным расстоянием и возможности управления распределением упругих полей в околоскважинном пространстве.

В п. 4.1 решается задача об излучении скважинной протяжённой фокусирующей антенной акустического поля в массив. Основное внимание уделено рассмотрению случая фокусирующей антенны в виде цилиндрической зонной линзы. Детально описаны поля радиальных и тангенциальных смещений в массиве и зависимости конфигурации этих полей от таких параметров фокусирующей системы, как фокусное расстояние и количество зон Френеля. Дан сравнительный анализ эффективности начальных фазовых распределений в виде цилиндрической зонной линзы и сферического, при этом показано, что эти распределения не являются альтернативными и единственно реальным видом фокусирующего скважинного излучателя является цилиндрическая зонная линза.

В п. 4.2 анализируются энергетические характеристики сфокусированного фронта, создаваемого цилиндрической зонной линзой. Исследуются и сравниваются вклады в общую интенсивность полей радиальных и тангенциальных смещений, показано, что с достаточной степенью точности протяжённую скважинную антенну, собранную в виде цилиндрической зонной линзы, можно считать источником радиальных смещений в массиве. Вводится понятие коэффициента усиления по интенсивности в фокусе . Причём предельный коэффициент усиления можно оценить выражением:

Исследована зависимость от числа зон Френеля в цилиндрической зонной линзе, обсуждается проблема учёта затухания в массиве при оценке величин , характерных для реальных полевых экспериментов.

В п. 4.3 анализируются особенности, возникающие при использовании в качестве скважинной фокусирующей антенны цилиндрической зонной линзы с не полностью заполненной апертурой. Сравниваются поля смещений, создаваемых в массиве зонными линзами с не полностью и полностью заполненными апертурами. Исследуется вопрос об оптимальных размерах и об оптимальном расположении на начальной апертуре излучающих зон в случае не полностью заполняемой апертуры, при этом показано, что размер первой дополнительной зоны должен быть меньше чем длина продольной волны в массиве , оптимальной значение . Размеры следующих дополнительных зон при m>1 должны уменьшаться с их номером, примерно, как .

В п. 4.4 исследуются особенности излучения сфокусированного фазового фронта из обсаженной скважины, учитывается влияние обсадной трубы и цементного кольца. Показано, что в случае использования в качестве фокусирующего скважинного излучателя цилиндрической зонной линзы фокусирующее дифракционное распределение сохраняется и в массиве. Дополнительные элементы конструкции скважины в виде обсадной трубы и цементного кольца лишь ослабляют поле.

В заключение кратко сформулированы результаты, полученные в четвёртой главе.

Глава 5 посвящена опыту и перспективам применения фокусирующих скважинных излучателей в геотехнологических процессах. Все добычные скважинные процессы имеют естественные общие черты. И, основная из них, это наличие собственно скважин, которые вскрывают продуктивный коллектор. Общие черты технологий скважинной добычи полезных ископаемых порождают общие проблемы этих технологий. Наиболее яркими являются проблемы, связанные с обеспечением проводимости призабойной зоны продуктивного пласта. Элементами любой технологии вскрытия продуктивного пласта скважиной является комплекс мероприятий, направленных на обеспечение соответствующих технологии добычи фильтрационных свойств призабойной зоны. Какими бы ни были успешными эти мероприятия, проводимость призабойных зон продуктивных, как, впрочем, и иных технологических скважин со временем ухудшается. Это обстоятельство диктует необходимость создания и развития технологий, направленных на улучшение проводимости призабойной зоны скважин.

В п. 5.1 призабойная зона продуктивного пласта (ПЗП) рассматривается как объект воздействия акустическим полем. Из анализа геолого-промысловых материалов выявляются причины ухудшения проницаемости, приводятся оценки ухудшения дебита продуктивных скважин при различной степени загрязнения ПЗП. Далее приведён обзор существующих методов воздействия на ПЗП, так или иначе связанных генерацией упругих полей в ПЗП. Рассмотрены и систематизированы наблюдаемые различными авторами явления, проявляющиеся при воздействии на ПЗП акустическим полем. Выделены некоторые общие черты, свойственные подавляющему числу случаев акустической интенсификации тепло и массообменных процессов, происходящих в ПЗП:

· во-первых, система, на которую происходит воздействие, должна находиться в потенциальном поле, связанным с градиентом какой-то величины. Например, это градиент давления в продуктивном коллекторе добычной скважины, градиент концентрации на гетерогенной границе при её растворении и тд.

· во-вторых, эффекты интенсификации тепло и массообмена акустическим полем являются эффектами второго порядка по полю, т.е. зависят от интенсивности поля.

· в-третьих, по всей видимости, эффекты интенсификации в основном связаны с изменением свойств гетерогенной (многофазной) границы в акустическом поле. Именно появление акустического погранслоя приводит как к «физическому» действию, например, ускорение фильтрации, так и к «химическому» - ускорение массообмена на гетерогенной границе в акустическом поле.

· в-четвёртых, основываясь на большом количестве экспериментальных данных различных авторов, можно сделать вывод о том, что механизмы акустического воздействия на физико-химические процессы являются пороговыми по акустической мощности. Различные авторы дают различные оценки для минимальной плотности потока акустической мощности, необходимой для интенсификации процессов тепло и массопереноса в пористых средах, в основном, эти цифры колеблются от 0,03 до 0,1 Вт/см².

Таким образом, если рассматривать ПЗП как объект воздействия акустическим полем из скважины, то к скважинному излучателю акустического поля можно сформулировать вполне определённые требования. И основным требованием является возможность создания требуемой интенсивности акустического поля в заданной области ПЗП. Частоты излучения необходимо выбирать максимальные из возможных, учитывая затухание в пласте, резонансные свойства системы излучатель - заполненная жидкостью скважина - массив и т.д. С этой точки зрения в данном разделе проведено сравнение различных типов скважинных акустических излучателей. Критерием сравнения была выбрана возможность достижения в заданной области, находящейся на расстоянии от скважины, критического значения интенсивности звука, необходимого для интенсификации процессов тепло и массообмена. При этом убедительно показано, что наиболее перспективным скважинным акустическим излучателем является именно протяжённая скважинная фокусирующая антенна.

В п. 5.2 приведено описание первого натурного эксперимента по акустическому воздействию на процесс подземного выщелачивания (ПВ) редких металлов с использованием фокусирующих скважинных антенн. В начале раздела кратко описывается сущность геотехнологического процесса подземного выщелачивания урана из гидрогенных месторождений, особенности поля подземного выщелачивания, на котором были поставлены эксперименты, приведены геологические разрезы по галереям закачных и откачных скважин. Также приведена вся доступная история откачной скважины (временная динамика относительной концентрации, дебита скважины и pH откачиваемого раствора), около скважинная область которой непосредственно подвергалась акустическому воздействию. Акустические характеристики пород, залегающих на горизонтах воздействия (в том числе затухание по продольным волнам), были тщательно измерены, что позволило оценить расположение фокальных областей фокусирующей скважинной антенны и оценить интенсивности в них при различных режимах воздействия. Воздействие велось на двух основных частотах, являющихся собственными частотами системы антенна - водный слой - скважина - массив. Нижняя рабочая частота , которой соответствует фокусное расстояние и верхняя рабочая частота , , кроме этого проводилось сканирование антенной вдоль забойной зоны для того, чтобы обработать максимальный объём акустическим полем с максимальной амплитудой. Причём целевой эксперимент был сделан внутри производственного цикла, т.е. совместно с откачкой продуктивного раствора.

Далее, в разделе приведена временная динамика измеряемых параметров откачиваемого раствора с наложением на неё характеристик воздействующего акустического поля и режимов воздействия.

Произведён анализ полученных экспериментальных данных, из которых можно сделать следующие выводы.

Под воздействием акустического поля резко возрастает концентрация полезного компонента в откачиваемом растворе (200-300%). Причем можно выделить возрастание концентрации, связанное с непосредственным увеличением скорости гетерогенной реакции в момент действия акустического поля из-за возрастания градиента концентрации на границе раздела фаз. И, кроме этого, возрастание концентрации, которое фиксировалось через несколько суток после прекращения воздействия и при анализе было связано с действием акустического поля в фокальных областях используемой скважинной антенны.

Таким образом, по временной динамике максимумов концентрации была оценена такая важная характеристика, как скорость фильтрации для заданного режима откачки - , что соответствует общим представлениям о процессе.

Также был отмечен сильный остаточный эффект возрастания концентрации (~ 200%), который наблюдался не менее 1,5 лет. В разделе приводится возможное объяснение данного эффекта, которое связано со снятием «газовой кольматации» с части озвученного пласта, и, как следствие, с необратимым увеличением площади межфазной границы: полезный компонент - активный реагент.

В п.5.3 обсуждаются перспективы применения сфокусированных скважинных источников для интенсификации процессов подземного растворения солей. Данные процессы используются как для добычи соли, так и для создания подземных хранилищ.

В разделе, на примере месторождения Белбаж (Ковернино, Нижегородская область) кратко описываются основы технологии подземного растворения, и обосновывается применимость акустической интенсификации для некоторых стадий технологий, а именно этапа образования первичной камеры растворения. Это наиболее длительный и энергоёмкий этап подготовки рассолопромысла к вводу в эксплуатацию.

Так же в разделе приведены результаты детальных исследований механизмов ускорения растворения солей в акустическом поле. Определено, что на частотах начального ультразвука источником интенсифицирующего действия являются микропотоки, созданные предкавитационными пузырьками. На частотах порядка первых мегагерц, где кавитационные пороги высоки, механизм принципиально иной. На растворяющейся границе необходимо создать поперечный градиент акустического поля для генерации течений Шлихтинга и создания акустического погранслоя. Именно скорость течений Шлихтинга является, в данном случае, «движущей силой» эффекта интенсификации растворения и здесь процессом растворения можно управлять, изменяя пространственную конфигурацию неоднородного акустического поля на растворяющейся границе.

Также в данном пункте приведена зависимость от амплитуды поля дополнительного диффузионного потока, который можно получить с растворяющейся в акустическом поле гетерогенной границы в случае поля с частотами порядка первых десятков килогерц и превышения порога эффекта по амплитуде поля.

Далее показано, что, используя сфокусированные скважинные антенны, можно создать поля с амплитудами, превышающими порог интенсифицирующего действия акустического поля, на расстояниях 20-30м от скважины. При этом положением фокальной области можно управлять, перестраивая частоту и располагать фокальную область антенны непосредственно на растворяющейся границе первичной камеры растворения. Внедрение описанной в п. 5.3 акустической технологии позволит, по оценкам, до 5-ти раз, сократить стадию подготовки рассолопромысла к промышленной эксплуатации.

В п.5.4 обосновываются перспективы использования сфокусированных скважинных источников для построения эффективных методов исследования нелинейных характеристик околоскважинного пространства.

В разделе анализируется ситуация, сложившаяся в мировой практике с достоверной оценкой нелинейных параметров геологических сред, находящихся в реальном залегании. Рассматриваются существующие методы, приводится описание единственного на настоящее время, экспериментально опробованного метода - метода нелинейного межскважинного прозвучивания (НМП). Метод НМП является интегральным по трассе распространения волны накачки, но основным недостатком этого метода является то, что он, принципиально, как минимум, двухскважинный. Наличие дополнительных скважин ограничивает применимость НМП.

Настоящим прорывом в деле определения нелинейных характеристик геологических сред, находящихся в реальном залегании мог бы стать односкважинный метод. В данном разделе обосновывается возможность создания такого метода с использованием скважинных фокусирующих антенн. Предлагается использовать эффект нелинейного дифракционного рассеяния из фокальной области цилиндрически расходящегося сфокусированного фронта. Даны соответствующие оценки. Показано, что в области начальной апертуры скважинной фокусирующей антенны можно получать информацию о нелинейных упругих характеристиках геологической среды, находящейся вне нарушенной зоны, а, именно, в фокальной области антенны, что существенно повышает достоверность метода. Показано также, что в предлагаемом методе существует возможность независимого дополнительного определения линейных упругих характеристик оклоскважинного пространства.

В заключение кратко сформулированы результаты, полученные в пятой главе.

Основные результаты диссертационной работы приведены в Заключении:

1. Разработаны теоретические основы метода увеличения интенсивности цилиндрически расходящегося поля с помощью начальных фазовых распределений, позволяющих в определённой области пространства компенсировать начальную цилиндрическую расходимость. В рамках это направления:

· Детально исследованы возможности метода фокусирования расходящихся цилиндрических волн с помощью непрерывных начальных фазовых распределений. Рассмотрены случаи параболического и сферического начальных распределений фазы, произвольного амплитудного распределения по начальной апертуре, рассмотрены особенности фокусирования, возникающие при ограничении начальной апертуры. Показано, что фокусирование расходящихся цилиндрических волн позволяет эффективно скомпенсировать начальную цилиндрическую расходимость и обеспечить в определённой области пространства превышение амплитуды сфокусированного поля над амплитудой цилиндрически расходящегося до 10 раз.

· Показана принципиальная возможность эффективного фокусирования расходящегося цилиндрического фронта с помощью дискретных начальных фазовых распределений. Теоретически и экспериментально доказано, что распределение зон Френеля на расходящемся цилиндрическом фронте существенно отличается от плоского и сферического случаев. Экспериментально найдены и исследованы различные варианты создания цилиндрической зонной линзы.

2. Показано, что оптимальным типом фокусирующего скважинного излучателя является антенна, собранная в виде цилиндрической зонной линзы.

· В широкой области параметров получены и проанализированы двумерные выражения для полей радиальных и тангенциальных смещений, создаваемых в твёрдой среде протяжённой пьезокерамической антенной, собранной в виде цилиндрической зонной линзы и находящейся в заполненной жидкостью скважине.

· Разработана процедура получения оптимальных условий согласования реальных протяжённых антенн, находящихся в заполненных жидкостью скважинах, с массивом. Результаты протестированы в полевом эксперименте.

· Впервые найдены импедансные граничные условия, позволяющие корректно описать некомпенсированную пьезокерамическую антенну, работающую в заполненной жидкостью скважине.

3. Построена модель оптимального фокусирующего скважинного излучателя.

· Определены предельные возможности фокусирования цилиндрически расходящегося акустического поля в твёрдой среде.

· Впервые изготовлены и испытаны скважинные акустические источники с возможностью фокусирования акустического поля.

· Разработаны принципы создания фокусирующего акустического скважинного излучателя с переменным фокусным расстоянием.

4. Впервые проведён успешный полевой эксперимент по акустической интенсификации процесса подземного выщелачивания редких металлов. Показано, что при акустическом воздействии сфокусированным полем существует возможность увеличения содержания полезного компонента в откачиваемом растворе до 300%.

· Дан анализ экспериментальных данных, определены физические механизмы интенсифицирующего действия акустического поля в конкретном процессе подземного выщелачивания урана из гидрогенных месторождений, находящихся на поздних стадиях эксплуатации.

· Показано, что использование сфокусированных акустических полей для интенсификации большинства известных скважинных геотехнологических процессов обладает значительной перспективой, особенно для улучшения фильтрационных свойств прискважинной зоны.

5. Обоснованы перспективы использования скважинных фокусирующих источников в процессе подземного растворения солей. Определена стадия процесса, требующая совершенствования существующих технологий и пригодная для интенсификации с использованием фокусирующих скважинных источников с переменным фокусным расстоянием. Показано, что можно существенно, по оценкам, до 3-х раз, сократить время подготовки рассолопромысла к промышленной эксплуатации.

6. Обоснованы перспективы использования скважинных фокусирующих источников для создания односкважинного метода исследования нелинейных упругих характеристик геологических сред, находящихся в реальном залегании. Метод основан на экспериментально обнаруженном эффекте дифракционного низкочастотного рассеяния на неоднородностях акустического поля.

В Приложение 1 представлены подходы к решению дифракционных задач, связанных с распространением сфокусированных цилиндрически расходящихся фронтов, используемые в настоящей диссертации. В Приложении также проанализированы точные представления Функции Грина кольца и на их основе получены удобные приближения для решения различных дифракционных задач в цилиндрической геометрии.

В Приложение 2 получена, используемая в диссертации, но ранее неизвестная асимптотика неполной цилиндрической функции Ханкеля.

В Приложение 3 представлен вывод уравнений движения для нелинейного изотропного твёрдого тела в цилиндрической геометрии в квадратичном по полю приближении. Использована Лагранжева формулировка уравнений движения. Далее, на основе полученных приближений, рассмотрена конкретная модельная задача о фокусировании расходящейся цилиндрической волны, однородной по азимутальному углу.

Основные публикации по материалам диссертации

геоакустика скважинный излучатель

1 Касьянов Д.А. Фокусирование расходящейся цилиндрической волны. - Акуст. журн., 1993, т. 39. № 6, с. 1076-1087.

2 Касьянов Д.А. Фокусирование расходящейся цилиндрической волны II. - Акуст. журн., 1994, т. 40. №1. с. 76-83.

...