Содержание к диссертации
Стр.
Введение 5
Глава 1. Методы и технические средства возбуждения колебаний
для воздействия на нефтебитумные пласты 13
-
Методы увеличения нефтеотдачи 13
-
Технические средства формирования волнового поля
в продуктивном пласте 20
-
Струйные генераторы акустических колебаний 25
-
Волновые характеристики продуктивных пластов 34
-
Генератор тепловолнового воздействия
(генератор колебаний давления) 37
-
Научные основы создания струйных генераторов 39
-
Общие принципы проектирования струнных устройств 40
-
Влияние внутренней обратной связи на процесс
возбуждения колебаний 42
-
Критерии выбора режимов работы струйных генераторов 45
-
Выбор геометрических характеристик проточного
тракта генератора 49
1.5.6. Описание конструкции генератора колебаний давления
с резонансными камерами 52
Глава 2. Исследование параметров трансзвукового потока в
канале генератора акустических колебаний 65
2.1. Экспериментальные исследования расходных характеристик
плоского двумерного сопла 65
-
Исследование сопл с двумя угловыми точками 65
-
Сравнительные испытания сопл с различными
трансзвуковыми каналами 70
2.1.3. Методика проведения эксперимента и обработки
результатов 73
2.1.4. Анализ результатов эксперимента 74
2.2. Исследование трансзвукового потока 79
2.2.1.Экспериментальные исследования 79
2.2.2. Расчетное исследование трансзвукового потока 84
Выводы 90
Глава 3. Экспериментальное исследование генератора
акустических колебаний 91
3.1. Система обеспечения испытаний генератора колебаний
давления 91
3.2. Исследование механизма генерации колебаний давления в
генераторе с резонансными камерами 98
-
Результаты эксперимента 98
-
Влияние расположения (ориентации) имитаторов перфорационных отверстий в обсадной колонне скважины относительно выходных каналов генератора
на параметры генерируемых колебаний 109
3.2.3. Исследование влияния генераторов первой и второй
ступеней при их совместной работе 111
3.3. Определение условий устойчивой генерации колебаний
давления 113
3.3.1.Характеристика генерируемых колебаний давления при
дозвуковых и звуковых скоростях потока 113
3.3.2. Обоснование выбора режимов работы генератора в
условиях эксплуатации на промысле 129
Выводы 135
Глава 4. Исследование течения жидкости по тракту генератора
акустических колебаний давления 136
4.1. Потенциально-вихревая схема Лаврентьева 137
-
Математическая постановка задачи 138
-
Метод численного решения 141
-
Результаты расчета 143
4.2. Трехмерное турбулентное течение сжимаемой жидкости 150
4.2.1. Результаты расчета 151
Выводы 160
Глава 5. Эффективность тепловолнового воздействия с помощью
генератора акустических колебаний 161
5.1. Влияние воздействия на состав извлекаемой продукции и
энергетические затраты 161
5.2. Экономическая эффективность воздействия 174
Выводы 179
Заключение 180
Библиографический список 184
Приложение 1 201
Приложение 2 214
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена определению оптимальных условий интенсификации процессов в пористых средах посредством генерации акустических колебаний с помощью энергоемких теплоиспользующих систем нефтяной промышленности.. Эти процессы и технические средства лежат в основе наиболее перспективных энергосберегающих, теплоиспользующих технологий освоения трудноизвлекаемых запасов нефти (ТИЗН) и альтернативы последней -природных битумов (ПБ), а именно: технологии интегрированного воздействия на продуктивные пласты.
Особенностью этих технологий является совмещение в процессе добычи различных методов воздействия на продуктивные пласты с волновым воздействием. Особенность применяемых технических средств -экономичность, при этом не требуется дополнительных источников энергии: генерация колебаний и формирование волнового поля в пласте происходит за счет преобразования части энергии нагнетаемого в пласт потока (кинетической, потенциальной и тепловой) в энергию колебаний.
Актуальность работы.
Создание высокоэкономичных технологий и устройств генерации энергии, а также экономное расходование энергетических и материальньк ресурсов - решение проблемы энергосбережения в энергоемких нефтедобывающих отраслях промышленности. Проблема обеспечения мировой экономики энергоресурсами особо выделяется среди глобальных проблем нынешнего века. Нефть становится важным фактором не только экономического, но и политического, а в некоторых регионах даже военного влияния, давления и взаимодействия потребителей и производителей энергетического сырья. Несмотря на возможность появления в будущем новых источников энергии, нефть еще длительное время сохранит свое исключительное значение - как уникальное химическое сырье и как высококалорийное топливо.
Задача более полного извлечения из недр при освоение месторождений углеводородного сырья приобретает все большее значение вследствие: постоянного снижения располагаемых запасов нефти; увеличения доли трудноизвлекаемых запасов нефти; снижения запасов вновь вовлекаемых в разработку месторождений; - увеличения энергетических и материальных затрат в процессе добычи нефти.
В наибольшей степени повысить нефтеотдачу пласта с одновременным снижением энергетических затрат, как свидетельствуют исследования, позволяет метод комбинированного воздействия на пласт, при котором за счет интенсификации взаимодействия нагнетаемого рабочего тела и пластовой среды увеличивается охват пласта, интенсифицируется процесс фильтрации, повышается коэффициент нефтеотдачи.
Освоение месторождений высоковязких нефтей и природных битумов представляет собой существенно более энергоемкие процессы по сравнению с разработкой маловязких нефтей. Мировые запасы тяжелых нефтей и битумов составляют 700-750 млрд.т., т.е. примерно в 7 раз больше, чем извлекаемые запасы обычных нефтей. В России ~60 млрд.т., что позволяет их рассматривать как важный резерв увеличения сырьевой базы [16, 29]. Методы комбинированного воздействия открывают большие возможности достижения сверхсуммарного (синергетического) эффекта при их разработке.
Одним из способов комбинированного воздействия при добыче природных битумов является тепловолновое воздействие.
Исследования последних лет показывают, что сочетание волнового воздействия с другими методами имеет обоснованные преимущества: технология характеризуется простотой осуществления, высокой эффективностью, экономичностью и экологической чистотой. Технические средства ее осуществления легко совмещаются с традиционным нефтепромысловым оборудованием.
Однако применяемые подобные технологии и устройства обеспечивают только кратковременное совмещенное воздействие на призабойную зону пласта. Поэтому необходимо их совершенствование с целью увеличения ресурса эксплуатации, а также расширения области применения за счет увеличения диапазона реализуемых параметров.
Известно, что повышение температуры ведет к снижению вязкости, а, следовательно, и подвижности нефти. Извлечение нефти с вязкостью в сотни и тысячи МПа-с путем повышения температуры в пласте является наиболее приемлемым методом. Увеличение температуры может быть проведено путем нагнетания теплоносителя (горячей воды или пара) и созданием движущегося очага горения. Ограничивающим применение метода закачки теплоносителя может являться особенность разрабатываемого месторождения. А также закачка теплоносителя сопряжена с большими потерями тепла в наземных коммуникациях, так, в поверхностных паропроводах теряется 0,35-3,5 млн. кДж/сут. на каждые 100 м длины насосно-компрессорной трубы (НКТ) [16, 36]. Поэтому более эффективным представляется источник тепла, расположенный непосредственно в пласте. Таким источником является очаг внутрипластового горения.
Применение внутрипластового движущегося очага горения (ВДОГ) позволяет оказывать многоплановое воздействие на пласт. Как показано выполненными исследованиями сочетание его с волновым воздействием открывает возможность коренного повышения эффективности воздействия и уменьшения материальных и энергетических затрат.
В связи с этим, исследования, проведенные в рамках диссертационной работе с целью совершенствования теплоиспользующих технических средств, с помощью которых реализуется технология совмещения волнового воздействия с внутрипластовым горением чрезвычайно актуальны, а именно: определение оптимальных режимов работы устройства, позволяющих повысить экономичность разработки месторождений и рентабельность скважинной добычи высоковязких нефтей и природных битумов, приобретает особую значимость. При этом повышается дебит скважин, решаются задачи энергосбережения и обеспечения экологической чистоты процессов воздействия на пласт.
Цели и задачи исследования.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное определение условий устойчивой генерации акустических колебаний давления с помощью генератора с резонансными камерами. Последний позволяет совместить волновое воздействие с технологией внутрипластового горения.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Исследовать состояние и предложить пути совершенствования методов и средств воздействия на пласт с целью интенсификации процессов добычи нефти и природных битумов, в частности при теплофизическом воздействии.
На основе анализа и сопоставления струйных устройств, в основу которых положены различные физические эффекты предложить наиболее эффективный вариант.
Теоретически и экспериментально определить расходные характеристики элемента устройства - сопла. Экспериментально исследовать процесс генерации колебаний давления с использованием резонансных камер в потоке сжимаемой жидкости (определение условий и режимов устойчивой генерации колебаний давления; исследование амплитудно-частотных характеристик генерируемых волн).
Исследовать течение потока сжимаемой жидкости (воздуха) по тракту устройства.
Оценить эффективность работы устройства.
Первая глава посвящена обзору методов и технических средств интенсификации процессов разработки нефтяных месторождений посредством формирования волнового поля в продуктивном пласте. Показана актуальность создания струйного устройства с резонансными камерами для реализации энергосберегающей технологии комбинированного воздействия, а именно - для совмещения волнового воздействия с внутрипластовым горением. Проведен анализ различных видов струйных генераторов и режимов генерации колебаний. Произведен выбор геометрических характеристик исследуемого устройства. Обоснована целесообразность исследования параметров трансзвукового потока в плоском сопле генератора колебаний давления.
Во второй главе излагаются результаты экспериментальных и теоретических исследований параметров трансзвукового потока в плоском сопле исследуемого струйного устройства. Исследование проведено в три этапа. На первом этапе исследованы расходные характеристики сопл, при этом преследовалась цель получения интегральной информации об уровне неоднородностей потока в области критического сечения. На втором этапе при помощи дренажных отверстий и перемещаемого насадка измерено распределение статического давления в модели трансзвукового участка сопла. Третий этап состоял в проведении численного эксперимента на ПЭВМ и сопоставлении полученных результатов с данными второго этапа.
В третьей главе дано описание экспериментального стенда, измерительной и регистрирующей аппаратуры, использованных при проведении исследований и сопоставлены результаты экспериментальных и теоретических исследований устройства.
Исследования проведены с целью выявления характеристик, обеспечивающих эффективную работу устройств: определение характерных областей устойчивой генерации колебаний давления в потоке сжимаемой жидкости; исследование влияния расположения имитаторов перфорационных отверстий в обсадной колонне скважины относительно выходных каналов генератора колебаний на параметры генерируемых колебаний; исследование взаимовлияния первой и второй ступеней генератора при их совместной работе; определение характеристик генерируемых колебаний давления при дозвуковых и звуковых скоростях потока воздуха; оценка и выбор режимов работы генератора применительно к условиям эксплуатации на промысле.
В четвертой главе рассмотрены модели течения по тракту генератора колебаний давления с резонансными камерами: потенциально-вихревая схема Лаврентьева и трехмерная турбулентная модель FlowVision. Целью рассмотрения является определение характеристик (амплитуды, частоты колебаний) течения по проточному тракту генератора для выявления оптимальных условий устойчивой генерации акустических колебаний при работе устройства с учетом данных экспериментальных исследований.
В пятой главе представлены результаты испытаний генератора акустических колебаний в условиях промысла (на 8 участках Мордово-Кармальского месторождения). В процессе испытания проведена проверка параметров работоспособности и надежности конструкции устройства тепловолнового воздействия в условиях забоя скважины. Исследовано влияние генерируемых колебаний на дебит скважин, обводненность продукции. А также, возможность снижения энергетических и материальных затрат при увеличении дебита скважин. Определена экономическая эффективность тепловолнового воздействия.
В заключении приводятся основные результаты проведенного исследования.
Защищаемые положения.
Метод и результаты расчета плоского сопла.
Выявленные закономерности процесса излучения упругих волн и факторы, влияющие на структуру потока в трансзвуковой области течения, расходные характеристики плоского сопла и эффективность работы устройства.
3. Выявленные условия и режимы устойчивой генерации колебаний давления.
4. Установленные структура и параметры потока по тракту генератора акустических колебаний с резонансными камерами.
Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе в центральных изданиях [6,84] и в трудах международных и всероссийских конференций [4,5,8-11,35,78,104-107].
Личный вклад автора в работу. Диссертантом лично разработана основная программа экспериментов и методика обработки опытных данных, выполнен анализ и сопоставление полученных результатов, разработано струйное устройство под руководством д.т.н., академика В.Е. Алемасова.
Представленная работа выполнена в исследовательском центре проблем энергетики казанского научного центра РАН в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы (гос. контракт № 41.003.11.2903), в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (№ 00-15-96690, № 03-02-96253, № 03-02-17279, № 04-02-08096 «офи_а»), грантов Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (№НШ-746.2003.8, гос. контракт 02.445.11.7195) и в рамках «Программы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы по Республике Татарстан на 2001 год» (работы №А.6.2-11/01, №4.4.2-01).
Автор признателен коллегам по лаборатории «Основ энергоэффективных технологий восполнения природных топлив» -Э.А.Буторину, Л.Н.Секачеву, Р.Б.Шаихову, Е.А.Марфину и особенно признателен руководителю лаборатории Я.И. Кравцову, а также А.Б.Мазо,
Н.И.Михееву, В.М.Молочникову, Ю.Г.Назмееву, Э.В.Шамсутдинову, В.Н.Шлянникову за помощь и полезные советы, оказанные в процессе выполнения работы. Особую признательность и благодарность автор выражает своему всестороннему учителю и руководителю диссертационной работы - академику РАН В.Е.Алемасову.
