Патент на изобретение №2161244

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2161244 (13) C1
(51) МПК 7
E21B43/00, E21B43/25
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 27.05.2011 – прекратил действие

(21), (22) Заявка: 2000102992/03, 09.02.2000

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

09.02.2000

(45) Опубликовано: 27.12.2000

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
SU 1086131 A, 15.04.1984. SU 619116 A, 26.06.1978. SU 883354 A, 23.11.1981. SU 956764 A, 07.09.1982. SU 1596081 A1, 30.09.1990. SU 1694865 A1, 30.11.1991. SU 1740640 A1, 15.06.1992. RU 2026970 C1, 20.01.1995. RU 2052085 C1, 10.01.1996. RU 2120031 C1, 10.10.1998. RU 2140519 C1, 27.10.1999. RU 2073090 C1, 10.01.1997. US 4469175 A, 04.09.1984. US 4702315 A, 27.10.1987. GB 2257184 A, 06.01.1993. WO 87/03643 A1, 18.06.1987.

Адрес для переписки:

117647, Москва, ул. Профсоюзная 113, к.1, кв.68, Мальченку В.О.

(71) Заявитель(и):

Мальченок Владимир Олимпиевич,
Максутов Рафхат Ахметович,
Дубинин Сергей Николаевич,
Шуклин Андрей Михайлович,
Муслимов Ренат Халиуллович,
Исангулов Альберт Кашфильевич,
Абдулхаиров Рашит Мухаметшакирович,
Киршин Алексей Иванович

(72) Автор(ы):

Мальченок В.О.,
Максутов Р.А.,
Дубинин С.Н.,
Шуклин А.М.,
Муслимов Р.Х.,
Исангулов А.К.,
Абдулхаиров Р.М.,
Киршин А.И.

(73) Патентообладатель(и):

Мальченок Владимир Олимпиевич,
Максутов Рафхат Ахметович,
Дубинин Сергей Николаевич,
Шуклин Андрей Михайлович,
Муслимов Ренат Халиуллович,
Исангулов Альберт Кашфильевич,
Абдулхаиров Рашит Мухаметшакирович,
Киршин Алексей Иванович

(54) СКВАЖИННОЕ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)


(57) Реферат:

Изобретение предназначено для использования в нефтяной и газовой промышленности, в частности для воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин. Задачей изобретения является повышение работы устройства. Для этого по первому варианту устройство содержит опорный корпус, магнитострикционный вибратор (МСВ) и акустический отражатель (АО). При этом МСВ выполнен стержневым и закреплен в опорном корпусе над АО. Расстояние между излучающим торцом МСВ и отражающей поверхностью АО равно нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости (СЖ) на резонансной частоте МСВ. В опорном корпусе между излучающим торцом МСВ и отражающей поверхностью АО выполнено окно для излучения в СЖ акустической волны. По второму варианту устройство содержит дополнительный, по меньшей мере, один МСВ. Оба МСВ выполнены стержневыми и закреплены в опорном корпусе на расстоянии между излучающими торцами МСВ, равном нечетному числу полуволн, установившихся в СЖ на резонансной частоте МСВ. Излучающие торцы МСВ соединены упругой вставкой. В ней установлен токоподвод. В опорном корпусе между излучающими торцами МСВ выполнены окна для излучения в СЖ акустической волны. Собственная частота одного из попарно расположенных МСВ отличается от соседнего на 5 – 50 Гц. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.


Изобретение относится к устройствам, предназначенным для использования в нефтяной и газовой промышленности, в частности, для воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин.

Известно скважинное термоакустическое устройство, содержащее опорный корпус, магнитострикционный вибратор и акустический отражатель (SU 1086131 A, 15.04.1984).

Это устройство предназначено для термоакустического воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин. Однако оно может генерировать акустическую мощность только в ультрозвуковом диапазоне. Необходимость использования для известного устройства тока ультразвуковой частоты обуславливает высокий уровень потерь напряжения в кабеле и потерь мощности в самом магнитострикционном материале при его перемагничивании.

В устройстве также велики конструкционные потери мощности. Радиально колеблющийся корпус, без какого-либо демпфера через резьбовое соединение жестко соединен с колонной насосно-компрессорных труб. Это приводит к утечке колебательной мощности в колонну и существенно снижает надежность и ресурс работы.

В результате этого фактическая интенсивность излучения известного устройства у забоя скважины в ультразвуковом диапазоне не превышает 0,5 Вт/см2.

При столь малой интенсивности и сильном затухании ультразвуковых волн в пористых горных породах радиус эффективного воздействия мал, что исключает возможность создания термоакустического поля высокой интенсивности, достаточно распространненого в радиальном направлении.

В то же время, в ряде случаев более эффективным является воздействие на призабойную зону акустическими волнами звуковой частоты, в частности в диапазоне 0,5-2 кГц.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение эффективности работы устройства, путем исключения негативных явлений, связанных с необходимостью питания скважинного термоакустического устройства током ультразвуковой частоты, оптимизации условий излучения вибратором акустической энергии в скважинную среду, повышением технологического эффекта воздействия акустического поля на продуктивный пласт за счет снижения частоты.

Эта задача достигается тем, что в первом варианте изобретения вибратор выполнен стержневым и закреплен в опорном корпусе над акустическим отражателем на расстоянии между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибратора, при этом в опорном корпусе между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя выполнено окно для излучения в скважинную жидкость акустической волны.

В описываемом случае для улучшения ввода акустической энергии в скважинную среду в опорном корпусе на расстоянии Lж установлен акустический отражатель, от которого на высоту (0,8-0,85)Lж выполнено окно для выхода акустической волны в скважинную жидкость.

Lж определяется соотношением.


где Cж и Cв – скорости звука в скважинной жидкости и материале вибратора; Lж – длина стержневого вибратора.


где fp – резонансная частота стержневого вибратора;
E и p – приведенные значения модуля упругости и плотности материала, из которого изготовлен стержневой вибратор.

При осуществлении условий (1) в столбе скважинной жидкости, заключенном между излучающим торцом стержневого вибратора и отражателем, установятся резонансные колебания с образованием продольной стоячей и бегущей волн.

Фронт бегущей волны вследствие наличия в опорном корпусе окна и отражателя будет направлен под углом 90o к оси скважины, а поверхность фронта, как и в случае излучения кольцевым вибратором, параллельна боковой стенке скважины.

Особенностью резонансных колебаний жидкостного столба между излучающим торцом вибратора и отражателем заключается в возможности накачки в него акустической энергии и кратного (в n раз) увеличения звукового давления. Так как в данном случае продольная стоячая волна в столбе жидкости создает условие для генерации поперечной бегущей волны, распространяющейся в направлении перпендикулярно стенке скважины, то интенсивность бегущей волны Jб будет увеличена в n2 раз.


где n – динамический коэффициент;
pж Cж – волновое сопротивление скважинной жидкости.

Во втором варианте изобретения поставленная задача достигается тем, что устройство снабжено дополнительным магнитострикционным вибратором, причем оба вибратора выполнены стержневыми и закреплены в опорном корпусе на расстоянии между излучающими торцами вибраторов, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибратора, излучающие торцы вибраторов соединены упругой вставкой, в которой установлен токоподвод, при этом в опорном корпусе между излучающими торцами вибраторов выполнены окна для излучения в скважинную жидкость акустической волны.

Кроме того, собственная частота одного из попарно расположенных вибраторов отличается от соседнего на 5-50 Гц.

На фиг. 1 изображено скважинное термоакустическое устройство с одним вибратором, продольный разрез; на фиг. 2 – то же с двумя вибраторами.

Устройство, описанное в первом варианте, состоит из опорного корпуса 1 с окнами 2, расположенными между излучающим торцом вибратора 4 и отражающей поверхностью отражателя 5. Вибратор состоит из 2-х стержней 6, изготовленных из пластин магнитострикционного сплава. Пластины для повышения энергопреобразующей способности подвергнуты термомеханической обработке, заключающейся в отжиге и охлаждении под действием механических колебаний. На стержни наложены обмотки возбуждения 7 и теплопроводные ребра 8, служащие для передачи тепла от магнитострикционных стержней к напрессованному на них корпусу 9 вибратора 4.

С целью обеспечения герметичности и устранения конструкционных потерь энергии на преодоление трения между элементами конструкции, внутренняя полость вибратора залита термостойким эпоксидным компаундом. После отвердения компаунда вся система превращается в монолит. На корпусе вибратора в средней части имеется резьба 11, с помощью которой вибратор жестко соединяется с опорным корпусом 1 для образования в этих местах узлов колебаний. Через выполненные в опорном корпусе 1 окна 2 осуществляется излучение акустической волны в скважинную жидкость. Стержневой вибратор закреплен в опорном корпусе 1 над акустическим отражателем 5 на расстоянии между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибратора. Верхний конец вибратора 4 герметично отделен от скважинной среды трубчатым кожухом 10, навинченным на резьбу 11 корпуса 9 вибратора 4. Кожух 10 образует с корпусом 9 вибратора 4 кольцевое пространство, заполненное маслом или другой теплопроводной жидкостью, обладающей хорошими смазывающими свойствами. В верхней части кожуха 10 установлен жидкостной или другой подвижный контакт 12, позволяющий осуществить электрическое соединение кабельного ввода 13 с контактным стержнем 14, вмонтированным в колеблющийся торец вибратора 4.

Акустический отражатель 5 представляет из себя упругий элемент с малым волновым сопротивлением (например, губчатая резина), в верхней части кожуха 10 акустический отражатель образован воздушной подушкой 15.

Описанное устройство работает следующим образом.

Питающий ток от наземного источника по кабелю-тросу 23, через разъем 21 поступает в обмотки 7 вибратора 4.

Изменением частоты тока наземного питающего генератора вибратор 4 вводится в режим резонансных колебаний. Между излучающим торцом вибратора 4 и отражателем 5 в столбе скважинной жидкости устанавливается резонансный режим колебаний, поскольку расстояние между ними подбирается равным нечетному числу полуволн в скважинной жидкости. При этом образуются продольные стоячие и бегущие волны, которые излучаются через окна 2 в опорном корпусе 1 к стенкам скважины и далее через цементное кольцо в нефтеносный пласт. Стоячая волна в столбе жидкости синхронно подпитывается торцом вибратора 4, а волновое излучение в продольном направлении невозможно, т.к. волны взаимно отражаются от торцов вибратора и отражателя.

Таким образом, происходит трансформация продольного излучения в поперечное. Интенсивность излучения преобразованной поперечной волны будет примерно равна мощности излучения торца вибратора, деленному на площадь окна в опорном корпусе.

Термическая обработка призабойной зоны пласта осуществляется за счет утилизации тепла, выделяющегося в магнитострикционных стержнях и их обмотке. Тепло от стержней к корпусу отводится через теплопроводные ребра 8, установленные между витками обмоток возбуждения, и далее через жидкость, находящуюся в кольцевых зазорах, и стенки кожуха в скважинное пространство.

Устройство, описанное во втором варианте изобретения и изображенное на фиг. 2, состоит из опорного корпуса 1 с окнами 2, расположенными в средней части корпуса, двух магнитострикционных продольных вибраторов 3 и 4. Каждый вибратор состоит из 2-х стержней 5, изготовленных из пластин магнитострикционного сплава. Пластины для повышения энергопреобразующей способности подвергнуты термомеханической обработке, заключающейся в отжиге и охлаждении под действием механических колебаний. На стержни наложены обмотки возбуждения 6 и теплопроводные ребра 7, служащие для передачи тепла от магнитострикционных стержней к напрессованному на них корпусу 8 вибратора 3.

С целью обеспечения герметичности и устранения конструкционных потерь энергии на преодоление трения между элементами конструкции, внутренняя полость вибраторов залита термостойким эпоксидным компаундом. После отвердения компаунда вся система превращается в монолит.

На корпусах вибраторов в средней части имеется резьба 9, с помощью которой вибраторы жестко соединяются с опорным корпусом 1 для образования в этих местах узлов колебаний.

В опорном корпусе 1 вибраторы 3 и 4 закреплены так, что расстояние между их излучающими торцами равняется нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибраторов 3 и 4.

В средней части опорного корпуса расположены окна 2, через которые осуществляется излучение акустической мощности в скважинную среду.

Излучающие торцы вибраторов 10 и 11 соединены механически и электрически согласующей вставкой 12.

Внутрь вставки 12 вмонтирован токопроводящий кабель 13, через который осуществляется последовательное соединение обмоток возбуждения вибраторов 3 и 4.

Верхний конец вибратора 3 и нижний конец вибратора 4, имеющие длину, равную четверти волны, герметично отделены от скважинной среды трубчатыми кожухами 14 и 15, навинченными на резьбу 9 корпусов вибраторов.

Кожухи образуют с вибраторами кольцевое пространство, заполненное маслом или другой теплопроводной жидкостью, обладающей хорошими смазывающими свойствами.

В верхней части кожуха установлен жидкостной или другой подвижный контакт 16, позволяющий осуществить электрическое соединение кабельного ввода 17 с контактным стержнем 18, вмонтированным в колеблющийся торец вибратора 3.

Кольцевое пространство между кожухами 14 и 15 заполнено трансформаторным маслом для лучшей передачи тепла от корпусов вибраторов в скважинную среду.

В нижней части трубчатого кожуха 15 для предотвращения излучения нижним торцом вибратора 4 установлен акустический отражатель 19, представляющий из себя упругий элемент с малым волновым сопротивлением (например, губчатая резина), в верхней части кожуха 14 акустический отражатель образован воздушной подушкой 20.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Питающий ток от наземного источника по кабелю-тросу через разъем 21 поступает к вибратору 3 и далее через согласующую вставку 12 к вибратору 4.

Изменением частоты питающего тока наземного генератора вибраторы 3 и 4 вводятся в режим резонансных колебаний.

С целью обеспечения возможности одновременного излучения упругих волн в двух диапазонах частот 500-2000 Гц и 5-50 Гц собственные частоты попарно расположенных вибраторов отличаются на 5-50 Гц.

Так как два продольных вибратора расположены в опорном корпусе на расстоянии, равном половине длины волны в столбе скважинной жидкости на резонансной частоте, то вибраторы и расположенный между ними столб жидкости составляют единую колебательную систему, состоящую из 3-х полуволн. При этом стоячая волна в столбе жидкости синхронно подпитывается акустической мощностью, генерируемой вибраторами 3 и 4. В то же время излучение акустической мощности в продольном направлении невозможно, т.к. волны взаимно отражаются от колеблющихся торцов вибраторов. Поэтому здесь происходит трансформация продольной волны в поперечную. Интенсивность излучения преобразованной поперечной волны будет примерно равна суммарной мощности излучения двух вибраторов, деленной на площадь окон в опорном корпусе.

Подогрев продуктивного пласта осуществляется за счет утилизации тепла, выделяющегося в магнитострикционных стержнях вибраторов при их перемагничивании. Тепло отводится от магнитострикционных стержней через теплопроводные ребра 7, установленные между витками обмоток возбуждения, и далее через жидкость, находящуюся в кольцевых зазорах, в скважинное пространство.

В том случае, когда собственные частоты попарно расположенных вибраторов отличаются на 5-50 Гц, излучение в межторцовом пространстве производится на биениях с несущей частотой, близкой к частоте одного из вибраторов и огибающей модулированной низкой частоте.

Технико-экономическая эффективность данного устройства достигается созданием распространенного на большую площадь эффекта многократного повышения проницаемости призабойной зоны, что обеспечивает кратное увеличение притока нефти или газа в скважинную жидкость.

Формула изобретения


1. Скважинное термоакустическое устройство, содержащее опорный корпус, магнитострикционный вибратор и акустический отражатель, отличающееся тем, что вибратор выполнен стержневым и закреплен в опорном корпусе над акустическим отражателем на расстоянии между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибратора, при этом в опорном корпусе между излучающим торцом вибратора и отражающей поверхностью отражателя выполнено окно для излучения в скважинную жидкость акустической волны.

2. Скважинное термоакустическое устройство, содержащее опорный корпус, магнитострикционный вибратор и акустический отражатель, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным, по меньшей мере, одним магнитострикционным вибратором, причем оба вибратора выполнены стержневыми и закреплены в опорном корпусе на расстоянии между излучающими торцами вибраторов, равном нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте вибраторов, излучающие торцы вибраторов соединены упругой вставкой, в которой установлен токоподвод, при этом в опорном корпусе между излучающими торцами вибраторов выполнены окна для излучения в скважинную жидкость акустической волны.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что собственная частота одного из попарно расположенных вибраторов отличается от соседнего на 5 – 50 Гц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2


MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.02.2007

Извещение опубликовано: 20.01.2008 БИ: 02/2008


Categories: BD_2161000-2161999