Способ резонансного акустического воздействия на нефтегазоносный пласт и устройство для его осуществления

1 Область техники Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для ликвидации гидросмолопарафиновых отложений в скважинах, повышения продуктивности скважины и отдачи всего пласта, а также может быть использовано в гидроакустике, морской сейсморазведке, химической промышленности. Предшествующий уровень техники Известен "Способ акустического воздействия на призабойную зону продуктивных пластов", патент RU2026969, МПК Е 21 В 43/25,опубл. 20.01.95. Способ включает воздействие на прискважинную зону акустическим полем, в которой выделяют участки с пониженными фильтрационными свойствами, затем обработку пласта ведут поточечно с интенсивностью не менее 0,2 Вт/см 2, и после каждого облучения корректируют сигнал до момента стабилизации фильтрационных свойств. Оценку фильтрационных свойств производят по показаниям скважинного датчика давления, расходомера и пр. Недостатком способа является косвенная оценка состояния скважины, не достоверно отражающая процессы, происходящие при акустическом облучении, в результате этого динамику восстановления определяют путем ее периодического измерения в перерывах между циклами облучения и сравнения с предыдущими, что повышает трудоемкость. Способ позволяет воздействовать только на призабойную зону и не обеспечивает акустического воздействия на весь продуктивный газонефтеносный пласт. Известно "Устройство для восстановления скважин", патент RU2066365, МПК Е 21 В 37/00, опубл. 10.09.96, которое содержит ударник и упругий излучатель. В качестве ударника использован импульсный гидропневмопривод. Недостатком этого устройства является мощное ударное воздействие на насоснокомпрессорную трубу (НКТ) в небольшом замкнутом пространстве, что вызывает пластические деформации в трубах и может привести даже к их разрушению. Эффективность работы устройства достигается за счет дополнительного использования наряду с механическим и химического воздействия на скважину. Известно "Устройство для акустического воздействия на призабойную зону продуктивных пластов", патент RU2066970, МПК Е 21 В 43/25, опубл. 20.01.95, содержащее наземный блок, соединенный посредством кабеля со скважинным прибором, в котором размещены генератор и акустический излучатель, залитый трансформаторным маслом. Данное устройство распространяет акустическую волну только в осевом направлении и не обеспечивает воздействия на весь пласт залегания, кроме того, заливка маслом излучателя вызывает потери акустической мощности, 001510 2 учитывая это, можно сделать вывод о недостаточной эффективности работы устройства. Сущность изобретения Задачей предлагаемых способа и устройства является повышение эффективности акустического воздействия на скважину, призабойную зону и на весь пласт для увеличения его продуктивности. Поставленная задача с достижением технического результата осуществляется в способе резонансного акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, включающем диагностику призабойной зоны, воздействие акустическим полем и корректировку параметров воздействия по результатам обратной связи, причем акустическое воздействие осуществляют поэтапно вертикально направленным и круговым горизонтально направленным акустическими полями с образованием стоячей волны в зоне, окруженной трубами, или бегущей волны в зоне перфорации с частотой колебаний, близкой к резонансной частоте структуры пласта с флюидом, а обратной связью является частотная зависимость амплитуды рассеянного в обратном направлении акустического сигнала, поступающего на акустический приемник, причем интенсивность акустического воздействия в зоне перфорации не менее 10 Вт/см 2. Задача решается также за счет того, что устройство для акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, содержащее наземный блок управления, соединенный посредством кабеля со скважинным прибором, состоящим из генератора, акустического излучателя и датчика, причем скважинный прибор выполнен в виде двух секций, соединенных кабелем, в верхней секции размещен генератор, а в нижней,сообщающейся с окружающей средой, - датчик и, по крайней мере, один акустический излучатель, снабженный хотя бы одним, установленным соосно с ним и на фиксированном расстоянии от его торца отражателем акустической волны, имеющим коническую поверхность, обращенную вершиной к излучателю; а также за счет того, что угол при вершине конуса равен 90 о, нижняя часть скважинного прибора оканчивается акустическим коцентратором, наконечник которого может быть выполнен с дискообразным пояском, предназначенным для механической очистки стенок от отложений; нижняя часть скважинного прибора также может оканчиваться эхолотом; нижняя часть прибора сообщается с окружающей средой посредством выполненных в стенке корпуса прямоугольных окон в зонах размещения отражателей акустических волн; расстояние а между торцом излучателя и вершиной конической поверхности отражателя акустических волн выбирают из условия образования стоячей волны в среде по формуле а = n/2 - b,где n = 1, 2, 3;b - внутренний радиус трубы. Использование в качестве обратной связи отраженных акустических волн среды, поступающих на акустический приемник без промежуточных или косвенных измерений, дает возможность быстро и достоверно судить об изменении фильтрационных свойств скважины и при этом оптимально воздействовать на параметры посылаемого акустического сигнала, вызывая стоячую волну или приближая режим колебаний к резонансному. Данный способ разрушает гидратные и парафиновые пробки, позволяет осуществить очистку не только порогового пространства околоскважинных пластов от осевших частиц, но и самих пластов, а также снижает вязкость нефти в зоне притока за счет достижения резонансных колебаний в среде, возбуждаемых горизонтально направленным круговым акустическим потоком, и оптимизации такого режима за счет использования в качестве обратной связи акустического датчика. Эффективность акустического воздействия повышается за счет изменения направления действия акустического излучения,вызывающего увеличение геометрических размеров акустического поля, и за счет настройки его на резонансную частоту частиц среды. Краткое описание чертежей На фиг. 1 изображена функциональная схема осуществления способа; на фиг. 2 - общий вид устройства; на фиг. 3 - разрез общего вида устройства по А-А. Акустические излучатели 1 (фиг. 1) соединены с генератором 2, датчик обратной связи 3,представляющий собой акустический приемник,связан с блоком управления 4, который соединен через аналого-цифровой преобразователь 5 с компьютером 6, а его выход осуществляет обратную связь через дешифратор команд 7 на блок управления 4 и генератор 2. Устройство состоит (фиг. 1) из наземной аппаратуры 8, соединенной кабелем 9 со скважинным прибором 10, который разделен на две секции 11 и 12 (фиг. 2), соединенные кабелем 13, в верхней части секции 11 расположен генератор 2, а в нижней 12 - датчик обратной связи 3, и акустические излучатели 1, 14, 15, выполненные в виде пьезокерамических преобразователей. По обе стороны излучателей 1 и 14 соосно с ними установлены отражатели акустических волн 16, каждый из которых имеет коническую поверхность, обращенную к излучателю вершиной с углом при ней, равным 90 о, пьезокерамический излучатель 15 смонтирован посредством шпильки 17 совместно с конусообразным наконечником 18, образуя акустический концентратор, для увеличения амплитуды вибрации. На фиг. 3 показано расположение прямоугольных окон в корпусе части 12 скважинного 4 прибора, которые способствуют уменьшению потерь мощности излучения. Лучший вариант осуществления изобретения Осуществление способа и работа устройства происходят следующим образом. Как изображено на фиг. 2, в насоснокомпрессорную трубу (НКТ) 20 (показана условно) работающей скважины опускают скважинный прибор 10 до начала перфорации и производят зондирование в частотном диапазоне с произвольным шагом по частоте. Акустический датчик 3 передает сигнал по геофизическому кабелю 9 на наземную аппаратуру 8 для обработки и принятия решения о режиме воздействия на пласт. После принятия решения подается сигнал на генератор 2, который запитывает пьезоизлучатели 1, 14 и 15. Вертикально направленное акустическое поле путем отражения отражателями 16 превращается в горизонтально направленное круговое поле 19 и образует стоячую волну в объеме, ограниченном НКТ 20, а затем и в объеме, ограниченном обсадной колонной 21, кроме того, действует акустическое поле и в вертикальном направлении 22,осуществляя проход прибора по скважине и воздействие на парафиногидратный слой. После достижения устройством зоны перфорации обсадной колонны 21 стоячие волны в призабойной зоне приводят к раскрытию перфорации и акустическое воздействие превращается в бегущую волну, распространяющуюся в виде кругового горизонтального потока, что обеспечивает воздействие по всему пласту. Обратная связь через датчик 3 обеспечивает корректировку оптимального режима воздействия на среду по интенсивности и времени акустического излучения. Наиболее надежным признаком проникновения акустических волн в нефтегазоносный пласт является появление эхо-сигналов от неоднородностей пласта, окружающего скважину,причем, чем дальше проникновение, тем сильнее и длительнее реверберации и, кроме того, по устойчивой амплитуде реверберации можно судить о достижении режима резонанса посланного акустического воздействия с множеством резонаторов, находящихся в среде флюида, воздушных полостей, твердых частиц и др. Это приводит к образованию акустического резонансного потока в продуктивном пласте в плоскости, перпендикулярной оси скважины. В этом режиме оптимизация процесса осуществляется варьированием частоты питания излучателей. Частота акустической волны, близкая к собственной частоте структуры пласта с флюидом,приводит к максимально эффективной очистке каналов движения флюидов в пласте, снижению вязкости и трения при движении флюида. Распространение резонансного потока по продуктивному пласту интенсивностью не менее 10 Вт/см 2, в свою очередь, обеспечивает связи пласт-скважина и повышение дебита сразу нескольких нефтяных скважин данного пласта. 5 Испытания показали увеличения дебита скважины на 15% по сравнению с прототипом. Оцениваются характеристики реверберации как в ручном, так и в автоматическом режимах. Автоматический режим реализуется с помощью компьютера, оснащенного специальным программным обеспечением, который выдает в графическом режиме (частотновременную гистограмму реверберации). Возможна реализация адаптивного режима, при котором чередуются циклы диагностики и воздействия, причем параметры воздействия корректируются в автоматическом режиме программным обеспечением. Полностью смонтированный и соединенный с наземной аппаратурой 8 (фиг. 1) скважинный прибор 10 подвергают проверке на работоспособность, при этом наземная аппаратура работает в режиме диагностики и выдает сообщение о характере неисправности либо подтверждает возможность работы. После этого устройство опускают в скважину и включают электропитание. Одновременно работают все излучатели 1, 14 и 15 и датчик 3 (фиг. 2). Акустический концентратор 18, вибрируя осуществляет разрушение и одновременно соскабливание парафиновых наслоений со стенок НКТ с помощью дискообразного пояска на его поверхности (на чертеже не показан), тем самым обеспечивая продвижение устройства вниз по скважине. Разделение погружаемого прибора на две секции 11 и 12, соединенных гибким кабелем 13, позволяет такой конструкции свободно продвигаться по изогнутым участкам НКТ. Датчик 3 сигнализирует на наземную аппаратуру 8 о проникновении акустических волн. Наземная аппаратура учитывает информацию о параметрах окружающей среды и от других датчиков 3, а именно температуры, давления, расходе нефти или газа и пр. Погружаемый прибор 10 может быть оснащен головным эхолотом, который будет контролировать дистанцию от прибора до дна скважины и позволит избежать удара о дно. Акустические волны, которые исходят от пьезоизлучателей 1 и 14, отражаются "разворачиваются" отражателями 16 на 90 о, образуя дополнительные зоны излучения и увеличивая таким образом область акустического воздействия. При передаче энергии от излучателя 1 в виде "развернутой" акустической волны частицы среды начинают совершать колебательные движения, а среда нагреваться. Поскольку стенка НКТ 20 является преградой на пути распространения волны, то происходит наложение (интерференция) прямой и отраженной волн, имеющих одинаковую частоту и амплитуду. В результате подобранного расстояния а от источника излучения 1 до НКТ 20 радиусомb, в определенные моменты времени их амплитуды складываются, т.е. вдвое увеличивается смещение частиц среды, и между пучностями скоростей частиц появляются узлы деформации, 001510 6 образуется стоячая волна. Таким образом, механическим путем происходит изменение состояния среды,разрушается гидросмолопарафиновый слой и повышается выход нефти или газа, а конструкция устройства, обеспечивая образование стоячей волны, позволяет повысить интенсивность разрушения парафинового слоя и ускорить процесс обработки скважины без увеличения мощности генератора. Увеличение амплитуды акустического излучения вызывает в среде явление кавитации, которое сопровождается резким кратковременным возрастанием давления и способствует интенсивному очищению стенок НКТ. После прохождения устройством участка НКТ, аналогичный процесс происходит в пространстве, ограниченном обсадной колонной 21,за счет акустического воздействия, осуществляемого вторым пьезоизлучателем 14, у которого расстояние a1 подобрано из расчета образования стоячей волны между излучателем 9 и стенкой обсадной колонны 21 радиусом b1. Расстояние а и a1 (фиг. 2) выбирают из условия образования стоячей волны в пространстве между излучателем и стенкой трубы по формулам а = n/2 - b, a1 = n/2 - b1,где n = 1, 2, 3;- длина бегущей волны;b, b1 - внутренние радиусы труб. Длину бегущей волны определяют по формуле= vT,где Т - период колебаний;v - скорость распространения акустической волны, зависящая от свойств среды ее плотности, упругости и пр., или как= v/v, гдеv - частота колебаний. Скорость распространения акустической волны определяется экспериментально или по имеющимся справочным данным. Например,при частоте генератора, питающего пьезоизлучатели 20-30 кГц, скорости распространения акустической волны v = 1800 м/с и внутреннем радиусе трубы b = 0,05 м, расстояние а = (0,04 0,01) м при n = 2. При попадании в зону перфорации оба пьезоизлучателя 1 и 14 начинают работать в режиме бегущей волны, которая распространяется в горизонтальном направлении и через перфорацию далеко проникает в продуктивный пласт, оказывая воздействие на весь пласт залегания, повышая продуктивность сразу нескольких скважин. Предлагаемое изобретение экологически чистое, оказывая эффективное воздействие не только на скважину, ликвидируя гидросмолопарафиновый слой, на призабойную зону, стабилизируя ее фильтрационные свойства, но и на весь нефтегазоносный пласт, повышая его продуктивность до 45%, в отличии от прототипа, 7 увеличивающего дебет до 30%. Автоматическая работа устройства обеспечивается программным обеспечением компьютера, входящего в комплект наземной аппаратуры. В устройстве предусмотрена изоляция всех элементов, отвечающая требованиям искрозащиты, а также обеспечивающая надежную работу при наличии колебаний температур и агрессивности сред. Макетные образцы устройства прошли испытания на работающих скважинах месторождений в Западной Сибири Российской Федерации. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ резонансного акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, включающий диагностику призабойной зоны, облучение акустическим полем и корректировку параметров режима облучения по результатам обратной связи, отличающийся тем, что акустическое воздействие осуществляют поэтапно вертикально направленным и круговым горизонтально направленным акустическими полями одновременно, причем на первом этапе - с образованием стоячей волны на участках пространства, ограниченного трубами, и на втором этапе - с образованием бегущей волны в зоне перфорации с резонансной частотой структуры пласта с флюидом, а параметром обратной связи является частотная зависимость амплитуды сигнала, полученного от рассеянного в обратном направлении акустического поля. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность акустического излучения в зоне перфорации устанавливают не менее 10 Вт/см 2. 3. Устройство для резонансного акустического воздействия на нефтегазоносный пласт,содержащее наземный блок управления, соединенный посредством кабеля со скважинным прибором, состоящим из генератора, акустического излучателя и датчика, отличающееся тем,что скважинный прибор выполнен в виде двух 8 частей, соединенных кабелем, в верхней части размещен генератор, а в нижней сообщающийся с окружающей средой датчик и, по крайней мере, один акустический излучатель, снабженный,по меньшей мере, одним, установленным соосно с ним отражателем акустических волн,имеющим коническую поверхность, обращенную вершиной к излучателю и на фиксированном расстоянии а между торцевой поверхностью излучателя и вершиной конической поверхности отражателя акустических волн. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем,что расстояние а между торцевой поверхностью акустического излучателя и вершиной конической поверхности отражателя акустических волн выбирают из условия образования стоячей волны по формуле а = n/2 - b,где n = 1, 2, 3;= длина бегущей волны;b = радиус внутренней стенки трубы. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем,что угол при вершине конической поверхности отражателя акустических волн равен 90. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем,что нижняя часть скважинного прибора сообщается с окружающей средой посредством выполненных в стенке корпуса прямоугольных окон в зонах размещения отражателей акустических волн. 7. Устройство по п.3, отличающееся тем,что нижняя часть скважинного прибора оканчивается акустическим концентратором. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем,что наконечник акустического концентратора выполнен с дискообразным пояском для механической очистки отложений со стенок трубы. 9. Устройство по п.3, отличающееся тем,что нижняя часть скважинного прибора оканчивается эхолотом.