Научная статья на тему 'Исследование перспективного метода воздействия на призабойную зону пласта фокусированным акустическим полем'

Исследование перспективного метода воздействия на призабойную зону пласта фокусированным акустическим полем Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
1013
228
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПРИЗАБОЙНУЮ ЗОНУ ПЛАСТА / ПОЛЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ / ВОЗДЕЙСТВИЕ ФОКУСИРОВАННЫМ АКУСТИЧЕСКИМ ПОЛЕМ / THERMAL FORCING NEAR WELLBORE / UNSTEADY THERMAL CONDUCTIVITY PROBLEM / HEATING TEMPERATURE FIELDS NEAR WELLBORE / FORCING WITH FOCUSED ULTRASOUND

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Федоров Иван Александрович, Васильев Юрий Николаевич

В данной работе приведен обзор существующих технологий теплового воздействия на забое скважины. Предложен перспективный метод фокусированного акустического воздействия на призабойную зону продуктивного пласта и представлена математическая модель, позволяющая провести предварительный анализ нагрева пласта и вмещающих флюидов с помощью воздействия ультразвукового излучателя. Результаты расчетов указывают на достаточно высокую эффективность данного метода воздействия для пластов, характеризующихся возможностью образования газогидратных пробок в при-забойной зоне или содержащих газовые гидраты. В частности, показано, что основным преимуществом данного метода является большее проникновение в пласт по сравнению с «точечным» тепловым источником и меньшее рассеяние энергии в область, не содержащую газовые гидраты. Это достигается за счет применения технологии акустической фокусировки. Для уточнения всех аспектов предлагаемой технологии необходимо проведение лабораторных экспериментов и в случае их положительных результатов испытаний на реальном промысле. Благодаря высокому КПД ультразвуковой установки и относительно небольшому времени воздействия на пласт можно говорить о целесообразности данного метода воздействия с точки зрения экономической эффективности процесса. Отметим, что метод с применением воздействия фокусированным акустическим полем на продуктивный пласт и призабойную зону является весьма перспективным не только из-за качеств ультразвукового поля, но и за счет возможности его комбинирования с другими вариантами разработки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Федоров Иван Александрович, Васильев Юрий Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Study of a potential method of impact on a bottomhole formation zone with a focused acoustic field

The present work describes the existing technologies of thermal influence for well drilling. It suggests using a method of focused acoustic influence on near-wellbore area of productive bed and gives a mathematical model to carry out initial analysis of bed heating and fluids using an ultrasound radiator. The results of calculations show that the method is sufficiently efficient for beds, characterized by potential to form gas-hydrate clogs in near-wellbore area or containing gas hydrates. In particular, it has been shown, that the main benefit of this method is larger penetration in comparison to a 'point' source of heat, lower energy waste for the area without gas hydrates. This is achieved by means of use of the acoustic focusing technology. To specify the aspects of the given technology, it is suggested that one should carry out a set of laboratory experiments and field tests in case of good results in the lab testing. Due to high level of efficiency of an ultrasonic device and considerably small amount of time needed to influence the bed, the method can be viewed as relevant from the standpoint of economic efficiency. Note that the method with the use of the impact with a focused acoustic field on the productive stratum and the bottomhole zone is extremely potential not only due to the ultrasound field qualities but due to the possibility of its combination with other development variants.

Текст научной работы на тему «Исследование перспективного метода воздействия на призабойную зону пласта фокусированным акустическим полем»

УДК 534.29;536.2.01;608:622.23.05 И.А. Федоров, Ю.Н. Васильев

Исследование перспективного метода воздействия на призабойную зону пласта фокусированным акустическим полем

В настоящее время большое количество газовых и газоконденсатных месторождений открывается и разрабатывается в северных и восточных районах, т.е. в зоне распространения вечной мерзлоты. Такие месторождения часто характеризуются весьма низкой пластовой температурой. При высоких давлениях гидраты газа могут образовываться уже при температурах плюс 20-25 °С. Следовательно, газ в указанных месторождениях находится в условиях, близких к началу гидратообразования. В результате падения давления при эксплуатации газовых и газоконденстаных месторождений температура газа в призабойной зоне снижается на значительную величину (10-15 °С), что должно привести к интенсивному гидратообразованию в призабой-ной зоне и прекращению поступления газа в скважины.

Если использование ингибиторов для борьбы с гидратами пригодно в стволе скважины и шлейфах, то, очевидно, они совершенно недейственны для предупреждения образования гидратов в призабойной зоне, так как проникнуть в эту зону они не могут. Единственным способом борьбы с образованием гидратов в призабойной зоне является прогрев ее до температуры, исключающей возможность такого явления [1]. Это стимулировало повышенный интерес к способам добычи, включающим тепловое воздействие на продуктивный пласт. На данный момент в мире проведены многочисленные исследования, подтверждающие возможность промышленного применения данных способов.

К сожалению, термическим методам присущи определенные ограничения, препятствующие их широкому распространению. Некоторые из них имеют физическую природу, другие связаны с неблагоприятным воздействием на окружающую среду [2]. Однако вместе с техническим прогрессом растет и эффективность методов разработки, включающих тепловое воздействие. Подобные нагреватели уже применяются в нефтяной промышленности для термической обработки призабойной зоны скважины.

На данный момент широко известны такие способы, как: огневые забойные нагреватели; дроссельные забойные нагреватели; внутрипластовое горение;

нагнетание теплоносителя в продуктивный пласт; электрические забойные нагреватели; воздействие акустическим полем.

Огневые забойные нагреватели выделяют теплоту за счет сгорания газовоздушной или топливовоздушной смеси, закачиваемой в скважину. Имеют следующие преимущества: высокий КПД; относительная дешевизна получаемого тепла; простота конструкции; возможность регулировки диапазона температур. Однако использование огневого нагревателя открытого типа для газовых скважин в большинстве случаев нецелесообразно. Для работы такого нагревателя необходима подача топливной смеси при давлении, равном забойному, что требует применения многоступенчатых компрессоров для сжатия воздуха. Дымовые газы, смешиваясь с добываемым природным газом, значительно снижают его теплотворную способность за счет увеличения содержания балластовых газов. Кроме того, увеличивается абсолютное влаго-содержание газа [3]. Огневые забойные нагреватели закрытого типа, применяемые

Ключевые слова:

тепловое воздействие на призабойную зону пласта, поле изменения температуры в призабойной зоне,

воздействие фокусированным акустическим полем.

Keywords:

thermal forcing near wellbore, unsteady thermal conductivity problem,

heating temperature fields near wellbore, forcing with focused ultrasound.

0

в нефтяных скважинах, нельзя использовать в газовых без серьезных конструктивных изменений из-за невозможности проведения с ними спуско-подъемных работ [3].

Принцип действия дроссельного нагревателя основан на преобразовании энергии давления жидкости в теплоту. Такое преобразование происходит при прокачке жидкости (обычно нефти) под высоким давлением через пористый элемент, изготовленный из сцементированных металлических опилок.

Дроссельный нагреватель имеет высокий КПД и позволяет подводить к забою большое количество тепла (150-200 тыс. ккал/ч). Однако он более применим для нефтяных скважин, где отработанная жидкость смешивается с добываемой продукцией. Для газовых скважин приходится осуществлять замкнутый цикл циркуляции рабочей жидкости. Следовательно, необходимо спускать не менее трех колонн насосно-компрессорных труб, что приводит к высоким капитальным затратам [3].

Существуют также способы теплового воздействия на пласт с применением внутрипла-стового горения. Они предусматривают сжигание части углеводородного сырья на месте его залегания с использованием образующихся горячих продуктов для прогрева продуктивного пласта [4]. Недостатком такого способа является трудность осуществления воспламенения метана непосредственно в среде по причине ее возможной низкой проницаемости. Данный метод требует также высокой степени контроля за процессом разработки.

100

40 60

Время, сут

Рис. 1. Динамика движения фронта разложения гидратов при прогреве призабойной зоны скважины «точечным» забойным нагревателем

В промысловых условиях неоднократно ставились эксперименты по вытеснению флюида какой-либо нагретой жидкостью, водяным паром или непосредственно водой. При непрерывном нагнетании теплоносителя не вся подводимая тепловая энергия попадает в продуктивный участок пласта. Некоторая достаточно заметная ее часть теряется из-за тепловых потерь. Первой проблемой является сильная потеря энергии при течении теплоносителя по участку осадной трубы скважины, проходящему через верхние слои грунта. Однако более значительным недостатком является рассеяние энергии в участки пласта, не находящиеся в продуктивном интервале [2].

Схожая проблема рассеяния энергии наблюдается у забойных нагревателей. Ввиду того что источник тепла является фактически «точечным», энергия распространяется от него сферически. Это приводит к затратам на прогрев участков, не содержащих флюиды, и достаточно быстрому затуханию энергии в пласте. Данный недостаток является характерным для электрических забойных нагревателей. Существуют электронагреватели с трубчатыми элементами мощностью 10,5 и 13,2 кВт, спускаемые в скважину на кабеле-тросе. Однако из-за высокой степени рассеяния энергии данной мощности оказывается недостаточно.

Используя математическую модель [5], можно оценить время и температуру прогрева пласта забойным «точечным» нагревателем. Для прогрева пласта на расстоянии 7 м от скважины на 9 градусов при мощности нагревателя 22 кВт необходимо осуществлять воздействие на протяжении 100 сут. Для снижения времени воздействия до 60 сут необходимо поднять мощность до 60 кВт. Причем дальнейшее увеличение мощности забойного нагревателя не дает сильного уменьшения времени воздействия [5]. В случае применения «точечного» теплового нагревателя для залежей, содержащих в призабойной зоне газовые гидраты с высокой отрицательной энтальпией разложения, равной 0,5 МДж/кг, эффект от рассеяния энергии в пласт наблюдается еще сильнее. За 100 сут непрерывного прогрева разложение гидратов произойдет всего лишь в радиусе 3,5 м от стенки скважины (рис. 1) [6].

Методы интенсификации добычи с применением акустического воздействия на забое на данный момент отличаются тем, что они рассчитаны только для нефтяных месторождений.

4

3

2

Воздействие осуществляется многочастотным спектром, и в конструкции ультразвукового излучателя не применяется акустическая фокусировка, за счет чего наблюдается существенное рассеяние энергии в пласт. Основной задачей данных методов является изменение свойств нефти высокой вязкости.

На рис. 2 и 3 приведены фотографии существующей в промышленности ультразвуковой развязки, которая служит для усиления излучения и разворота продольных колебаний в поперечные с помощью вакуумной полости в форме призмы. На рис. 4 изображен ультразвуковой забойный излучатель с несколькими подобными развязками, используемый в нефтяной промышленности. Однако данные образцы изготовлены без применения метода акустической фокусировки.

Вследствие изложенных выше недостатков известных методов разработки рассмотрим новый подход к воздействию на продук-

тивный интервал пласта. Подвод тепла предлагается осуществлять с помощью воздействия на пласт фокусированным акустическим полем. Данный метод воздействия поможет достичь следующих преимуществ: воздействие будет осуществляться не «точечно» на забое, а на определенном расстоянии вокруг скважины; благодаря фокусировке удастся избежать сильного рассеяния тепла в области, не содержащей газовые гидраты.

Воздействие ультразвуковым полем с помощью забойного излучателя осуществляется с большим проникновением в пласт относительно забойного нагревателя за счет использования принципа ультразвуковой (УЗ) фокусировки. Для этого предлагается применить метод цилиндрической фокусировки. На рис. 5 показан разрез по диаметру участка УЗ-излучателя с двумя акустическими развязками (1, 2), соединенными между собой (3), поверхность которых имеет форму вогнутой линзы (4).

Рис. 2. Развязка ультразвукового излучателя

Рис. 3. Развязка ультразвукового излучателя в разрезе. Акустическое зеркало

Рис. 4. Ультразвуковой излучатель с несколькими развязками

10

1

4

6

3

7

2

Рис. 5. Разрез фокусирующего акустического излучателя с двумя акустическими развязками

Излучение от такой поверхности будет иметь форму диска (5), что позволит добиться усиления интенсивности в точке фокусировки (6) и избежать рассеяния в область пласта, не содержащую газовые гидраты. Ультразвуковые развязки (1, 2), использованные в конструкции, служат для усиления излучения и разворота продольных колебаний в поперечные с помощью вакуумной полости в форме призмы (7).

В зависимости от свойств коллектора и содержащихся в нем флюидов форма фокусирующей линзы выбирается так, чтобы подобрать оптимальное фокусное расстояние (8), определяемое углом фокусировки (9). В зависимости от необходимого фокусного расстояния, мощности и частоты ультразвукового излучателя из геометрических соображений выбирается расстояние между акустическими развязками (10).

В конструкции предлагаемой установки используется поверхностный генератор мощностью 16 кВт. Подвод энергии от генератора к излучателю осуществляется по электрическому кабелю, спускаемому в скважину. Рабочая частота ультразвукового излучателя выбрана равной 24 кГц. Воздействие на данной частоте подтвердило свою эффективность в экспериментах, проведенных для льда. Для увеличения глубины проникновения энергии

в пласт, а следовательно, и увеличения области прогрева, применяется метод акустической фокусировки. Фокусное расстояние для акустической линзы составляет 7 м от забоя скважины и является оптимальным вследствие проведенной вариации на базе математической модели, описанной ниже.

Теоретическая модель

Рассматривается модель скважины с помещенным на забой акустическим излучателем. Добыча из данной скважины не производится, учитывается только нагрев коллектора и вмещающих флюидов. Излучатель помещен в скважине вертикально и имеет две акустические развязки. Форма излучения показана на рис. 5 и 6.

На рис. 7 (сверху - вид сбоку, снизу - вид сверху) показано, что излучение имеет форму «диска» (серый цвет), а тепловой поток q распространяется с поверхности этого диска перпендикулярно. Благодаря использованию принципа акустической фокусировки на расстоянии а в точке фокуса будет наблюдаться усиление интенсивности и, следовательно, теплового потока.

Для расчета прогрева пласта предлагается следующая теоретическая модель. Рассмотрим

Рис. 6. Форма излучения от одной фокусирующей площадки акустического излучателя

г,

Сс 1 а т 1

1 V. V

Рис. 7. Конфигурация «диска» излучения радиуса а

две фокусирующие акустические развязки, расположенные на расстоянии Н* по вертикальной оси 1*, как показано на рис. 8 (здесь и далее звездочками отмечены размерные величины). Каждая развязка представляется в виде тонкого «диска» (форма излучения фокусирующего излучателя) радиуса а*, отдающего теплоту в безграничную среду с постоянным коэффициентом теплопроводности к* с момента времени /* = 0. Тепловой поток с боковой поверхности диска задан как функция радиуса q*(г*), < г < aq(r), 0 < г < а, конкретный вид которой рассматривается ниже. В начальный мо-

мент времени температура среды равна постоянной величине 70*. Необходимо найти нестационарное поле температуры в цилиндрической области -со < г* < да, 0 < г* < Я*. На боковой поверхности цилиндрической области

* Г1* ^ #

г = Я > а температура среды равна температуре без нагрева. В пределе Я'/а* ^ да получаем прогрев не ограниченной по радиусу среды.

В силу линейности задачи поле температуры нагрева можно представить как суперпозицию полей, создаваемых каждым из дисков. Поэтому рассмотрим задачу для одного диска в системе координат, показанной на рис. 9. Введем безразмерные переменные г = г*/а*,

г = 2*/а*, I = /*к7(с*р*а*2), Т = (Г((, г, 1) - 70*)/70*, * *

где р - плотность среды, с - удельная теплоемкость среды.

Поле температуры нагрева представим в виде Т = Б(г, г) + N(1, г, г), где Б(г, г) - решение задачи, описывающей стационарное поле, вызванное источниками тепла на поверхности диска; г, г) - решение нестационарной задачи, описывающей процесс прогрева среды от начальной до установившейся температуры Б(г, г).

Рис. 8. Система «дисков» с шагом Н по координате z

Рис. 9. Система координат для одного диска

г

0

г а

0

а

г

Задача для Б(г, 2) формулируется следующим образом:

1 д ( д5 ^ д25 п --1 г— I + —- = 0,

г дг ^ дг ) дг

Б = 0, г = Я,

Б ^ 0, 2 ^ да, г = fix,

— = -д(г), г = 0, 0 <г <а; дг

дг

= 0, г = 0, г > а.

(1) (2)

(3)

(4)

Задача для г, 2) формулируется как:

дЫ 1 д С дЫ ^ + д2 N (5)

д/ г дг ^ дг ) дг2

N = -Б(г, 2), t = 0, (6)

N = 0, г = Я, (7)

N ^ 0, 2 ^ +да, г = fix. (8)

Для системы из двух фокусирующих акустических развязок (дисков), на каждом из которых выделяется мощность W0, поле температуры является суперпозицией полученных выше решений для каждого диска. Причем аргумент 2 в решениях необходимо сдвигать в соответствии с расположением рассматриваемого диска, в данном случае на Н/2 (см. рис. 8).

Рассмотрим тепловой поток д(г), явный вид которого необходим для расчета поля температур нагрева. Предположим, что ультразвуковое излучение имеет форму диска (см. рис. 6 и 7), где к = к(г) - толщина диска, Б(г) = 2пгк(г) - площадь его поперечного сечения. Если среда поглощает излучение, то поток энергии через поперечное сечение диска убывает по некоторому закону

Ж = Ж&(г),

где Ш =

Ш *

к ©0а

(13)

безразмерная мощность из-

а а

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Здесь а(г) = * * - безразмерный тепло-

к Т0

вой поток с одной из поверхностей «диска». Аналитические решения задач (1)-(4) и (5)-(8) могут быть найдены методом разделения переменных [7]. Опуская детали, представим окончательный вид для нестационарного поля температуры нагрева:

Т (Г, г, 2) = ¿0„ (, г) AnJ0(X „г), (9)

п = 1

©„ ($, 2) = ехр(-Х„2) - 2- } ьп (у)в-а1 008(^7. (10)

¿К о

Здесь коэффициенты в разложении по функциям Бесселя имеют вид

лучения.

На кольцевом участке от г до г + йг (область красного цвета на рис. 7) выделяется мощность Ж(г) - Ж (г + йг) = -Ж^'(г)йг, где g' = dg/dг. Если диск тонкий, то данная мощность идет на нагрев среды через боковые поверхности диска (см. рис. 8). Тепловой поток через одну из этих поверхностей равен

Ш

Ч(г) = Я' (г). 4пг

(14)

Функция g(r) определяется законом поглощения энергии излучения [8]

-- 1п10

ё(г) = 10 20, я'(г) = -«—ё(г),0 < г < а, (15)

А =-

X „ 81П И(Х „И/2)

где X п М-!0 - корни функции Бесселя

Л(М^0)) = 0; декременты экспоненциального затухания по времени равны аи =у2 + Х^ Интеграл в уравнении (10) содержит коэффициенты Фурье

Ъп (У) = } е С08(У2 )ё2 = -^т^ • (12) 2п 0 2п X2п + у2

В формуле (10) первое слагаемое относится к стационарному полю температуры нагрева при t ^ да.

где а = а*а* - безразмерный коэффициент по-1 глощения среды.

|д(г)J0(Xпг)г(г, (11) На периферии диска оставшийся поток 0 концентрируется в фокальной области - тон-

ком кольце радиуса г = 1 и малого поперечного сечения, размер которого зависит от степени фокусировки. В результате формируется локальный кольцевой источник тепла мощности Жа = (а). В зоне фокуса распределение теплового потока можно аппроксимировать кривой Гаусса [8-10]:

(

Чг (Г) = Ча еХР

(Г -1)

Л

(16)

- безразмерный характерный размер фокальной области.

где г* = г* / а

Тогда

К = 4Ща | ехр[-(г-1)2 /г1 ]аг = 4щаггу/к. (17)

Отсюда находим

ч, (г) =

4п г,

-ехр

' (г -1)2 ^

(18)

Таким образом, к тепловому потоку (14) необходимо добавить тепловой поток (18) от фокальной области. Поэтому в окрестности фокуса вместо функции ¿(г) из уравнения (15) нужно использовать функцию

Я (1)

I, =-Я (г) + г ехр

' (г -1)2 ^

(19)

Соотношения (14), (15), (19) использовались в расчетах, приведенных ниже.

Способы применения и результаты расчетов

Метод теплового воздействия на пласт с помощью фокусирующего акустического излучателя может быть особенно эффективен при использовании в пластах, содержащих газовые гидраты. Данные коллекторы характеризуются хорошей акустической проводимостью за счет того, что их поры заполнены гидратами, льдом и водой, каждый из которых является хорошим проводником для звука. Вследствие этого удастся осуществить фокусировку излучения на достаточно большом расстоянии от скважины, что позволит увеличить радиус теплового воздействия.

Основной эффект, с которым необходимо бороться при разложении газов гидратов, - эффект самоконсервации. Анализ экспериментальных данных по кинетике разложения газовых гидратов позволяет выделить некоторые особенности процесса их разложения при температурах ниже 273 К. Разложение гидратов после сброса давления начинается на их поверхности и проходит несколько стадий. Можно выделить быструю и последующую медленную стадии, в некоторых случаях вплоть до практически полной остановки процесса разложения - эффекта самоконсервации [11]. Применение фокусированного акустического воздействия на пласт в комбинации с понижением давления или закачкой разогретой воды позволит преодолеть этот эффект и повысить экономическую эффективность разработки месторождений газовых гидратов.

Далее приведем результаты расчета, основанные на вышеизложенной математической модели, для параметров УЗ-излучателя и среды, содержащей газовые гидраты, лед и воду. Для УЗ-устройств, которые существуют на данный момент в промышленности, генератор на поверхности обладает мощностью 16 или 6 кВт. С учетом акустического КПД излучателя потерь на скважинном кабеле для глубины залегания до 1000 м и конструкции излучателя, имеющего две акустические развязки, получим мощность, выделяемую на одну линзу (один излучающий «диск»), равную 5,5 или 2 кВт соответственно. Для оценки затрат энергии на работу генератора в сравнении с энергией добытого газа используется теплота сгорания метана, равная 33,28 • 106 Дж/м3. В качестве параметров породы и вмещающих флюидов берутся значения, аналогичные использованным в расчетах для других методов разработки газоги-дратных месторождений [6]: р*с* породы и вмещающих флюидов равна 1,48 Дж/(м3-К); пористость - 0,35; гидратонасыщенность - 70 %; во-донасыщенность - 0,20; начальное давление в пласте (Р0*) - 5,74 МПа; начальная температура (00) - 283 К; к* - 1,71 Вт/(м-К).

Одним из основных параметров в данной модели является коэффициент поглощения звука породой и вмещающими флюидами а*. Точное определение данного параметра на основе только теоретических данных не представляется возможным. Вследствие этого была проведена вариация данного параметра в диапазоне от 3 до 8 дБ/м. Для расчета поля температур было решено выбрать наиболее вероятное значение а* = 4,5 Дб/м [11-13].

Расчетная область по г* выбиралась исходя из размеров излучателя. Данные величины продиктованы условиями работы акустического зеркала и фокусирующей линзы. Расстояние Н * между двумя излучающими линзами равно 2,8 м [9]. Радиус расчетной области Я* выбирался так, чтобы максимально показать прогреваемую область пласта. В результате параметрических расчетов был выбран Я* = 42 м, что составляет шесть радиусов «диска».

Фокусное расстояние линзы а* выбиралось из соображений возможности реализации в конструкции излучателя [9] и максимального проникновения в пласт с сохранением интенсивности до фокуса. Предварительно была проведена вариация данного параметра с фиксированным коэффициентом поглощения звука.

Наиболее подходящей оказалась величина

а* = 7 м. Характерный радиус фокального пят* 1

на гЕ = 1 см.

При вычислении ряда (9) использовались 70 первых слагаемых, что оказалось достаточным для требуемой точности результатов.

При отсутствии акустической фокусировки интенсивность излучения достигнет пренебрежимо малой величины уже на расстоянии ~ 3,5 м от забоя скважины. Фокусировка позволяет уменьшить это рассеяние и сохранить интенсивность излучения на необходимом уровне до отметки 7 м. На рис. 10 показаны графики изменения величины теплового потока по удалению от забоя скважины для а*, равного 3; 4,5; 6 и 8 дБ/м. Отражено, что при увеличении коэффициента затухания звука в пласте и вмещающих флюидах наблюдается падение теплового потока, приходящегося на фокус. Стоит отметить повторно, что а* = 4,5 дБ/м является наиболее вероятным значением. В этом случае интенсивность, приходящаяся на фокус, является достаточной для получения усиления и выделения дополнительного тепла.

Распределение прироста температуры пласта и вмещающих флюидов в зоне прогрева, полученное в результате решения нестационарной задачи, представлено на рис. 11 для времени воздействия 10, 60 и 100 сут соответственно и мощности генератора 6 кВт. Наглядно показано, что из-за высокого коэффициента погло-

щения звука основная теплота выделяется в радиусе 1 м от забоя скважины. Однако даже при воздействии ультразвуком в течение 10 сут удается повысить температуру пласта на 5 °С в радиусе примерно 2,5 м от скважины. Тепловое воздействие «точечным» электрическим забойным нагревателем в течение 100 сут при мощности 22 кВт [5] аналогично воздействию ультразвуковым фокусированным полем с мощностью 6 кВт (см. рис. 11 в).

На рис. 12 отражена возможность прогрева призабойной зоны пласта (расстояние от забоя скважины - 2 м) на 5 °С всего за 5 сут работы генератора мощностью 16 кВт. При больших временах работы на такой мощности наблюдается перегрев зоны пласта в радиусе 1 м от скважины. Однако данные значения являются оценочными, и при решении задачи с выносом флюида из пласта избыточная температура будет сниматься за счет нагрева добываемого газа. Повышение температуры газа в свою очередь позволит избежать проблемы образования гидратных пробок в НКТ.

В данной работе приведен обзор существующих технологий теплового воздействия на забое скважины. Предложен перспективный метод фокусированного акустического воздействия на призабойную зону продуктивного пласта, и представлена математическая модель, позволяющая провести предварительный анализ нагрева пласта и вмещающих флюидов с помощью воздействия УЗ-излучателя.

г, м

Рис. 10. Распределение теплового потока по расстоянию от скважины при различных а для одной акустической развязки и мощности генератора 16 кВт

т—1—I—1—I—1—I—1—I—1—г 0 1 2 3 4 5 6 7

6 4 2

Я. 0

N

-2 -4 -6

5

15 25 35 45 55 65 75 85

5

15 25 35 45 55 65 75 85

Результаты расчетов указывают на достаточно высокую эффективность данного метода воздействия для пластов, характеризующихся возможностью образования газогидрат-ных пробок в призабойной зоне или содержащих газовые гидраты. В частности показано, что основными преимуществами данного метода являются большее проникновение в пласт по сравнению с «точечным» тепловым источником и меньшее рассеяние энергии в область, не содержащую газовые гидраты. Это достигается за счет применения технологии акустической фокусировки. Для уточнения всех аспектов предлагаемой технологии необходимо проведение лабораторных экспериментов и в случае их положительных результатов - испытаний на реальном промысле.

Благодаря высокому КПД ультразвуковой установки и относительно небольшому времени воздействия на пласт можно говорить о целесообразности данного метода воздействия с точки зрения экономической эффективности процесса.

Отметим, что метод с применением воздействия фокусированным акустическим полем на продуктивный пласт является весьма перспективным не только из-за качеств ультразвукового поля, но и за счет возможности его комбинирования с другими вариантами разработки.

5 3 -

15 2 -

25

1 -

35

45 8 0-

N

55

-1 -

65

75 -2 -

85

-3 -

-I—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I

0 1 2 3 4 5 6 7

5

15

25

35

45

55

65

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

75

85

95 100

Рис. 11. Поле изменения температуры (°С) для мощности генератора 6 кВт и времени воздействия: а - 10; б - 60; в - 100 сут

Рис. 12. Поле изменения температуры (°С) за 5 сут работы генератора мощностью 16 кВт

М

а

М

б

м

г. м

в

Список литературы

1. Великовский А.С. Борьба с гидратообразованием в призабойной зоне и

в стволе газовых скважин / А.С. Великовский, Б.В. Дегтярев // Газовая промышленность. -1966. - № 8.

2. Бурже Ж. Термические методы повышения нефтеотдачи пластов / Ж. Бурже, П. Сурио, М. Комбарну. - М.: Недра, 1989.

3. Дегтярев Б.В. Борьба с гидратами при эксплуатации газовых скважин в северных районах / Б.В. Дегтярев, Э.Б. Бухгалтер. -М.: Недра, 1976.

4. Крейнин Е. В. Нетрадиционная термическая технология добычи трудноизвлекаемого углеводородного сырья / Е.В. Крейнин // Газовая промышленность. - 2005. - № 3.

5. Зайченко В.М. Математическое и физическое моделирование теплового воздействия на газоконденсатные системы / В.М. Зайченко, В.В. Качалов, И. Л. Майков и др. // Вести газовой науки: Актуальные вопросы исследований пластовых систем месторождений углеводородов. - 2013. -№ 1 (12). - С. 66-72.

6. Щебетов А. Месторождения газовых гидратов: ресурсы и возможные методы разработки /

А. Щебетов. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006.

7. Лыков А. В. Теория теплопроводно сти /

A.В. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967.

8. Несис И.Е. Методы математической физики / И.Е. Несис. - М.: Просвещение, 1977.

9. Голямина И.П. Ультразвук / И.П. Голямина. -М.: Советская энциклопедия, 1979.

10. Каневский И.Н. Фокусировка ультразвуковых цилиндрических волн в среде с поглощением / И. Н. Каневский // Акустический журнал. -

Т. 10. - Вып. 3. - 1964.

11. Истомин В.А. Эффект самоконсервации газовых гидратов / В.А. Истомин, В.С. Якушев,

B.Г. Квон и др. // Газовая промышленность. -Спецвыпуск. - 2006.

12. Иванов В.В. Распространение звука во влажной пористой среде / В.В. Иванов, Ю.А. Медведев, Б.М. Степанов // Акустический журнал. -

Т. 14. - Вып. 1. - 1968.

13. Чабан И.А. Затухание звука в грунтах и горных породах / И. А. Чабан // Акустический журнал. - Т. 39. - Вып. 2. - 1993.

References

1. Velikovsky A.S. Hydrating control in the bottomhole zone and in gas well bore /

A.S. Velikovsky, B.V. Degtyarev // Gas Industry. -1966. - № 8.

2. Burge G. Thermal methods of reservoir oil recovery improvement / G. Burge, P. Surio, M. Kombarnu. - Moscow: Nedra, 1989.

3. Degtyarev B.V. Hydrates control during gas well operation in northern regions / B.V. Degtyarev, E.B. Bukhgalter. - Moscow: Nedra, 1976.

4. Kreinin E.V. Nontraditional thermal technology for production of hard to recover hydrocarbon resources / E.V. Kreinin // Gas Industry. - 2005. -№ 3.

5. Zaychenko V.M. Simulation of wave impact on a gas/condensate system / V.M. Zaychenko,

V. V. Kachalov et al. // Vesti gazovoy nauki: Actual problems of studies of hydrocarbon field bedded systems. - Moscow: Gazprom VNIIGAZ, 2013. -V. 1 (12). - P. 66-72.

6. Schebetov A. Gas hydrate fields: resources and possible development methods / A. Schebetov. -Moscow: Gubkin Russian State Oil and Gas University, 2006.

7. Lykov A.V. Thermal conductivity theory /

A.V. Lykov. - Moscow: Vysshaya Shkola, 1967.

8. Nesis I.E. Mathematic physics methods / I.E. Nesis. - Moscow: Prosvescheniye, 1977.

9. Golyamina I.P. Ultrasound / I.P. Golyamina. -Moscow: Soviet Encyclopedia, 1979.

10. Kanevsky I.N. Ultrasound cylindrical wave focusing in the medium with absorption / I.N. Kanevsky // Acoustic Journal. - Vol. 10. -Iss. 3. - 1964.

11. Istomin V. A. Gas hydrate self-conservation effect / V.A. Istomin, V.S. Yakushev, V.G. Kvon et al. // Gas Industry. - Special issue. - 2006.

12. Ivanov V.V. Sound propagation in humid porous medium / V. V. Ivanov, Yu.A. Medvedev,

B.M. Stepanov // Acoustic Journal. - Vol. 14. -Iss. 1. - 1968.

13. Chaban I.A. Sound damping in soils and rocks / I.A. Chaban // Acoustic Journal. - Vol. 39. -Iss. 2. - 1993.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.