Изобретение относится к нефтяной промышленности, именно, к устройствам для генерации акустических колебаний.

В последние годы развитие нефтяной промышленности характеризуется значительным ростом трудноизвлекаемых запасов нефти. К трудноизвлекаемым относятся запасы, которые не могут эффективно эксплуатироваться с применением традиционных методов разработки. Современное состояние разработки нефтяных месторождений обуславливает необходимость проведения большого объема работ по повышению нефтеотдачи и увеличению продуктивности скважин. Результаты геофизических и гидродинамических исследований показывают, что продуктивность скважин в процессе эксплуатации снижается, несмотря на проведение различных геолого-технологических мероприятий. Основная ставка делается на применение таких методов повышения уровней добычи нефти, как ГРП, форсированный отбор жидкости, зарезка вторых стволов, бурение горизонтальных скважин. Безусловно, эти методы обладают высокой технико-экономической эффективностью, но не во всех случаях проявляется их успешность, поэтому актуальной является задача внедрения технологий повышения нефтеотдачи [Апасов Т.К. Анализ проведения ГРП на примере юрских пластов. Нефть и газ Западной Сибири. Том 1. - Тюмень: ТюмГНГУ, - 2003. - С.98.].

Среди современных методов повышения нефтеотдачи все более значимое место приобретают физические методы. В этой группе сегодня наиболее развитыми в теоретическом и аппаратурно-технологическом аспектах, особенно при воздействии на пласт и призабойную зону пласта из скважин, являются методы акустического воздействия, среди них - акустические в ультразвуковом диапазоне [Мельников В. Б. Перспективы применения волновых технологий в нефтегазовой отрасли, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина. Академические чтения, Москва - 2007 г.; Акуличев В. А. О росте кавитационной прочности реальной жидкости: Акустический журнал. 1965, N°l l - С. 719-723.].

Акустические устройства, в том числе ультразвуковые, применяются в различных областях промышленности. В частности, ультразвуковые устройства применяются в нефтедобыче. При этом возможно помесить ультразвуковое устройство в скважину для генерации акустических колебаний.

Генерация ультразвуковых волн в скважине приводит к нагреву призабойной зоны пласта (ПЗП), снижению вязкости нефти, увеличению проницаемости и повышению мобильности флюида. Ультразвуковой метод повышения нефтеотдачи может быть применен совместно с такими методами как: тепловой (нагревание ПЗП различными методами), химический (закачка в пласт различных реагентов) (пример: US 2013/0146281 опубликован 13 июня 2013). Пример устройства для генерации ультразвуковых колебаний в скважине описан в US 7,063,144 "Acoustic Well Recovery Method and Device" (Способ и устройство для акустического повышения дебита скважин). Но зона излучения и эффективность данного прибора ограничены. В случае горизонтальных скважин необходимо максимально увеличить зону излучения прибора и его эффективность. Это связано с тем, что длина ПЗП горизонтальной скважины значительно больше, чем длина ПЗП вертикальной. За счет увеличения эффективности прибора и длины зоны излучения можно достичь снижения времени обработки, что приводит к удешевлению операции. В научно-технической литературе широко отражено внедрение ультразвукового воздействия на призабойную зону нефтяного пласта. Так описано использование ультразвукового скважинного оборудования для интенсификации добычи нефти - скважинного аппарата, выполненного виде цилиндрической конструкции (Нефтепромысловое дело, 2012, стр. 25. Ультразвуковая технология повышения продуктивности низкодебитных скважин, авторы М.С. Муллакаев, В.О. Абрамов и др.). В центральной части устройства расположен волновод, в котором в режиме холостого хода возбуждается стоячая волна. Это достигается при помощи двух преобразователей, припаянных к торцам волновода. Возникающие радиальные колебания волновода создают упругое высокочастотное поле в окружающей среде. Частота колебаний составляет 20 Гц. Устройство эффективно при работе с высокопарафинистыми нефтями, однако зона излучения ограничена расстоянием между двумя преобразователями, которое, в свою очередь, ограничено мощностью преобразователей.

Известен патент РФ N° 2172819 «Способ разработки обводненного нефтяного месторожденияи и устройство для вибросейсмического воздействия на это месторождение». Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам разработки обводненных месторождений на поздней стадии и устройствам для их осуществления. Сущность изобретения: пласт вскрывают скважинами и производят добычу пластовой жидкости добывающими скважинами. На участке углеводородной залежи проводят изучение фракционного состава горной породы, слагающей нефтяной пласт, путем анализа кернового материала, и определяют доминантную частоту пласта. Производят монтаж комплекса технических средств вибросейсмического воздействия. Он включает установку волноводного устройства в возбуждающей скважине из существующего фонда или специально пробуренную скважину и сопряжение его с наземным источником колебаний вибрационного типа с регулируемой величиной частоты колебаний и

з амплитуды. Осуществляют вибросейсмическое воздействие на доминантной частоте с одновременной регистрацией состава и количества добываемой жидкости и попутного газа, амплитудного спектра акустического шума и амплитуды вибросмещений горной породы в интервале продуктивного пласта, имеющего наибольшие остаточные запасы нефти. По результатам обработки амплитудного спектра акустического шума и динамики технологических показателей разработки определяют режимы оптимального вибровоздействия на залежь. Разбивают месторождение на участки эффективного действия комплекса технических средств вибросейсмического воздействия, включающего наземный источник и волноводное устройство, и монтируют на них дополнительные комплексы. Производят вибросейсмическое воздействие с одновременными периодическими закачками растворов, содержащих растворенный газ, в интервалы пласта на участках. Во время проведения вибросейсмического воздействия осуществляют обработки призабойных зон пласта, включая виброволновые, улучшающие их фильтрационные свойства. Проводят повторные сеансы вибросейсмического воздействия на данных участках до полного прекращения разработки данных участков. Устройство по способу включает наземный источник колебаний вибрационного типа. Он состоит из системы питания и управления, включающей усилитель сигнала рассогласования, электромеханический преобразователь, гидравлический усилитель, и возбудителя вибраций. Он жестко связан с опорной трубой, отцентрированной относительно устья скважины. Его излучающий элемент связан через присоединенную массу с упругим волноводом. Он связан с четвертьволновым излучателем нижним торцом. При включении источника колебаний система питания и управления управляет потоками жидкости, поступающими в возбудитель вибраций, и приводит в колебательное движение его излучающий элемент, который передает колебания присоединенной массе, что обеспечивает распространение волн по волноводу до четвертьволнового излучателя, где устройством жесткой связи со стенками обсадной колонны они излучаются в нефтяной пласт. Технология обеспечивает повышение конечной нефтеотдачи за счет восстановления подвижности защемленной нефти и увеличение области охвата вибросейсмическим воздействием при оптимизации его режимов. Однако, эффективность метода ограничена, вследствие необходимости передачи механических колебаний на большую длину через присоединенную массу.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство, описанное в заявке номер WO 2017/009075 А1 (A downhole ultrasonic transducer, downhole probe and tool comprising such a transducer (Погружной ультразвуковой преобразователь, погружной зонд и устройство содержащие такой преобразователь)), приоритет 19.01.2017.

Описанный в заявке WO 2017/009075 А1 погружной (скважинный) ультразвуковой преобразователь, используемый для передачи и/или приема ультразвуковых волн в скважине углеводородного месторождения, в которой присутствует жидкость, состоит из металлического корпуса, содержащего внутреннюю полость, изолированную от жидкости скважины углеводородного месторождения мембранной стенкой, изготовленной из металлического сплава; пьезоэлектрического элемента, закрепленного внутри внутренней полости, причем пьезоэлектрический элемент имеет переднюю сторону , механически соединенную с мембранной стенкой, причем - внутренняя полость находится под давлением, не связанным с давлением в скважине углеводородного месторождения -, имеет заднюю сторону пьезоэлектрического элемента, расположенную таким образом, что ничто не препятствует ее свободным колебаниям во внутренней полости, для того чтобы создать высокий акустический импеданс между пьезоэлектрическим элементом и внутренней полостью на задней стороне и максимально увеличить передачу акустической энергии на переднюю сторону, и - толщина мембранной стенки такова, что существует общий резонанс мембранной стенки и пьезоэлектрического элемента, что приводит к эффективной передаче акустических волн через мембранную стенку, и такова, что мембранная стенка способна противостоять давлению в скважине углеводородного месторождени.

Иными словами, погружной ультразвуковой преобразователь имеет полость, в которой находится пьезоэлектрический элемент. При этом данный элемент акустически контактирует с мембранной стенкой ультразвукового преобразователя, второй конец пьезоэлектрического элемента свободен и находится в полости. Частота собственных колебаний мембранной стенки совпадает с частотой пьезоэлектрического элемента.

Недостатками прототипа являются сравнительно низкая эффективность передачи энергии в пласт, вызванная тем, что излучающим элементом при такой конфигурации является исключительно мембранная стенка. Размер зоны излучения при этом лимитирован размером мембранной стенки и самого пьезоэлектрического элемента. В случае использования данной конструкции для воздействия на призабойную зону пласта, время необходимого воздействия будет определяться соотношением толщины призабойной зоны пласта и размером мембранной стенки. Рассчитанное таким образом время для типичной скважины составит десятки часов.

Задачей изобретения является устранение выше указанных недостатков, а именно, повышение эффективности за счет увеличения зоны излучения прибора. Поставленная задача решается предлагаемым ультразвуковым погружным излучателем.

Согласно заявляемому техническому решению, ультразвуковой погружной излучатель состоит из концевого элемента первого типа (1), концевого элемента второго типа (15) и как минимум одного излучающего звена(2); при этом концевой элемент первого типа (1) содержит первый цилиндрический излучатель (3), пакет пьезоэлектрических элементов (4), второй цилиндрический излучатель (5) и стягивающий два цилиндрических излучателя элемент с резьбовым соединением (6), пакет пьезоэлектрических элементов (4) расположен между двумя цилиндрическими излучателями (3) и (5) внутри стягивающего элемента (6), при этом длина участка от начала первого цилиндрического излучателя (3) до середины второго цилиндрического излучателя (5) составляет λ±10%, где λ - длина волны продольной моды колебаний ультразвукового погружного излучателя на его рабочей частоте;

при этом излучающее звено (2) содержит пакет пьезоэлектрических элементов (7), цилиндрический излучатель излучающего звена (8) и элемент (9) с резьбовым соединением, стягивающий цилиндрический излучатель излучающего звена (8) и цилиндрический излучатель соседнего излучающего звена (8), либо второй цилиндрический излучатель (5) концевого элемента первого типа (1) , пакет пьезоэлектрических элементов (7) расположен между двумя цилиндрическими излучателями (8) и (8) либо (8) и (5) внутри стягивающего элемента (9), при этом длина цилиндрического излучателя излучающего звена (8) соразмерна длине второго цилиндрического излучателя (5) концевого элемента (1), длина стягивающего элемента (9) излучающего звена (2) соразмерна длине стягивающего элемента (6) концевого элемента (1), пакет пьезоэлектрических элементов (7) излучающего звена (2) тождественен пакету пьезоэлектрических элементов (4) концевого элемента (1); при этом концевой элемент второго типа (15) содержит первый цилиндрический излучатель (3), пакет пьезоэлектрических элементов (4), и элемент с резьбовым соединением (6), стягивающий цилиндрическиий излучатель (3) и цилиндрический излучатель (8) соседнего излучающего звена, пакет пьезоэлектрических элементов (4) расположен между цилиндрическими излучателями (3) и (8) внутри стягивающего элемента (6); расстояние между серединами соседних цилиндрических излучателей (8) излучающих звеньев (2) либо между соседними цилиндрическим излучателем (8) излучающего звена (2) и вторым цилиндрическим излучателем (5) концевого элемента первого типа (1) составляет половину длины волны ±10% (λ/2±10%) продольной моды колебаний ультразвукового погружного излучателя на его рабочей частоте, а собственная частота продольных колебаний стягивающих элементов (6) и (9) совпадает с рабочей частотой ультразвукового погружного излучателя.

В ультразвуковом погружном излучателе резьбы на двух концах стягивающих элементов (6) или (9) могут быть выполнены в разные стороны.

На первом цилиндрическом излучателе (3) концевого элемента первого типа (1) либо концевого элемента второго типа (15) в узле по смещениям продольных колебаний на рабочей частоте может быть закреплена защитная крышка (10), содержащая цилиндрическое отверстие с коническим концом, акустически не контактирующая с цилиндрическим излучателем.

На первом цилиндрическом излучателе (3) концевого элемента второго типа (15) либо концевого элемента первого типа (1) в узле по смещениям продольных колебаний на рабочей частоте может быть закреплен кабельный наконечник (11), акустически не контактирующий с цилиндрическим излучателем.

Ультразвуковой погружной излучатель может содержать четное число излучающих звеньев (2).

Также согласно заявляемому изобретению ультразвуковой погружной излучатель может содержать и нечетное число излучающих звеньев (2). При этом ультразвуковой погружной излучатель дополнительно содержит излучающее звено второго типа (16) и волноводное звено (12), расположенное между излучающим звеном второго типа (16) и излучающим звеном (2) в середине ультразвукового погружного излучателя, при этом излучающее звено второго типа содержит пакет пьезоэлектрических элементов (7) и элемент (9), стягивающий цилиндрический излучатель соседнего излучающего звена (8) и волноводное звено (12),а стягивающий элемент (9) излучающего звена (2), соседнего с волноводным звеном стягивает волноводное звено и цилиндрический излучатель излучающего звена (8).

Волноводное звено (12) может быть выполнено в виде полого цилиндрического излучателя, заканчивающегося элементами, аналогичными по форме половине цилиндрического излучателя (8) излучающего звена. При этом оно может быть выполнено с возможностью возбуждения колебаний на концах в противофазе.

Пакет пьезоэлектрических элементов (7) либо (4) в ультразвуковом погружном излучателе может состоять из четного числа пьезоэлектрических элементов (13) и металлического цилиндрического элемента (14).

Ультразвуковой погружной излучатель может содержать пакет пьезоэлектрических элементов (7) либо (4), состоящий из двух пар пьезоэлектрических элементов (13), разделенных металлическим цилиндрическим элементом (14). Пары пьезоэлектрических элементов могут быть расположены таким образом, что элементы (13) контактируют контактами разной полярности между собой, и контактами одинаковой полярности с металлическим цилиндрическим элементом (14). Пакеты пьезоэлектрических элементов (4) либо (7) различных звеньев могут быть соединены параллельно. Другим аспектом изобретения является применение ультразвукового погружного излучателя для ультразвуковой обработки призабойной зоны пласта углеводородного месторождения.

На фигурах приведены изображения как самого ультразвукового погружного излучателя, так и его элементов:

Фиг.1 - Концевой элемент первого типа (1)

Фиг.2 - Излучающее звено (2)

Фиг. 3- Концевой элемент второго типа (15)

Фиг. 4- Ультразвуковой погружной излучатель

Фиг.5- представлен ультразвуковой погружной излучатель, у которого на первом цилиндрическом излучателе (3) концевого элемента первого типа (1) в узле по смещениям продольных колебаний на рабочей частоте закреплена защитная крышка (10)

Фиг.6- представлен ультразвуковой погружной излучатель, у которого на первом цилиндрическом излучателе (3) концевого элемента второго типа (15) в узле по смещениям продольных колебаний на рабочей частоте закреплен кабельный наконечник (11).

Фиг.7- Излучающее звено второго типа (16)

Фиг. 8 - представлен ультразвуковой погружной излучатель, содержащий нечетное число излучающих звеньев (2) и дополнительно - излучающее звено второго типа (16) и волноводное звено (12)

Фиг. 9 - Пакет пьезоэлектрических элементов (7) либо (4), состоящий из двух пар пьезоэлектрических элементов (13), разделенных металлическим цилиндрическим элементом (14)

Ультразвуковой погружной излучатель предназначен, среди прочего, для работы в скважинах. Одним из основных применений устройства является использование в нефтяных скважинах для обработки призабойной

ю зоны пласта. Целью данной обработки является увеличение дебита обрабатываемой скважины.

Ультразвуковой погружной излучатель может использоваться, в частности, для обработки горизонтальных скважин с зоной перфорации несколько десятков или сотен метров. Для скважин подобного типа крайне важной является продолжительность обработки. Предложенное устройство позволяет увеличить зону излучения, которая расположена по всей длине ультразвукового погружного излучателя. За счет увеличения зоны излучения возможно снизить время обработки ПЗП. Увеличение зоны излучения достигается согласованием длин отдельных элементов излучателя.

Так, расстояние между серединами соседних цилиндрических излучателей (8) излучающих звеньев (2) либо между соседним цилиндрическим излучателем (8) излучающего звена (2) и вторым цилиндрическим излучателем (5) концевого элемента первого типа (1) составляет пол овину длины волны ±10% (λ/2±10%) продольной моды колебаний ультразвукового погружного излучателя на его рабочей частоте.

Кроме того, собственная частота продольных колебаний стягивающих элементов (6) и (9) совпадает с рабочей частотой ультразвукового погружного излучателя. Собственная частота продольных колебаний стягивающих элементов однозначно определяется геометрическими размерами стягивающих элементов. Таким образом, описанное соотношение длин элементов позволяет увеличит зону излучения ультразвукового погружного излучателя, что является несомненным преимуществом заявленного устройства по сравнению с прототипом.

Кроме того, предложенное соотношение длин элементов ультразвукового погружного излучателя позволяет увеличить эффективность передачи колебаний пьезоэлектрических элементов в пласт, что объясняется резонансными явлениями.

и В предложенном устройстве пары пьезоэлектрических элементов могут быть расположены таким образом, что элементы (13) контактируют контактами разной полярности между собой, и контактами одинаковой полярности с металлическим цилиндрическим элементом (14). Это позволяет увеличить электрическое сопротивление пакетов. Подобное увеличение позволяет увеличить возможную глубину работы излучателя, которая лимитируется возможностью передать электрический сигнал с поверхности через длинный кабель. Обычно увеличение сопротивления достигается увеличением количества пьезокерамических элементов, традиционно контактирующих контактами одинаковой полярности между собой. Увеличение количества пьезоэлектрических элементов приводит к увеличению геометрических размеров прибора. Размер прибора лимитируется размерами скважины, таким образом размеры скважины накладывают ограничение на возможную глубину обработки. В случае использования предложенной конфигурации пьезоэлектрических элементов, данное ограничение снимается.

Таким образом, заявляемый ультразвуковой погружной излучатель, обладает повышенной эффективностью за счет увеличения зоны излучения прибора. Устройство позволяет увеличить дебит обрабатываемой скважины. Оно может использоваться, в частности, для обработки горизонтальных скважин с зоной перфорации несколько десятков или сотен метров.