RU2705126C1 - Method of generating pressure waves in the annular space of an injection well and a jet acoustic radiator with a short nozzle and a slot resonator for its implementation - Google Patents
Method of generating pressure waves in the annular space of an injection well and a jet acoustic radiator with a short nozzle and a slot resonator for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2705126C1 RU2705126C1 RU2019101241A RU2019101241A RU2705126C1 RU 2705126 C1 RU2705126 C1 RU 2705126C1 RU 2019101241 A RU2019101241 A RU 2019101241A RU 2019101241 A RU2019101241 A RU 2019101241A RU 2705126 C1 RU2705126 C1 RU 2705126C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- jet
- outlet
- chamber
- pressure waves
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Nozzles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к способу и устройству генерирования волн давления в затрубном пространстве нагнетательной скважины, и предназначено для очистки от твердых отложений стенок обсадных труб и отверстий перфорации, декольматации призабойной зоны пласта и увеличения подвижности пластовых флюидов.The invention relates to the oil industry, and in particular to a method and apparatus for generating pressure waves in the annulus of an injection well, and is intended for cleaning solid deposits of casing walls and perforations, decolming the bottom-hole formation zone and increasing the mobility of formation fluids.
Известен способ генерирования волн давления в стволе нагнетательной скважины см. [RU 2122109 С1, 20.11.1998], при котором устанавливают на конце насосно-компрессорной трубы (НКТ) гидродинамический генератор (ГГ), закачивают сжимаемую жидкость через НКТ, прокачивают жидкость через ГГ, генерируют колебания давления внутри ГГ и формируют волны давления за ГГ в стволе нагнетающей скважины и далее - в затрубном пространстве.A known method of generating pressure waves in the injection wellbore see [RU 2122109 C1, 11/20/1998], in which a hydrodynamic generator (GG) is installed at the end of the tubing, a compressible fluid is pumped through the tubing, the fluid is pumped through the GG, generate pressure fluctuations inside the GG and form pressure waves behind the GG in the injection well bore and then in the annulus.
Добывающие нефтяные скважины периодически прочищают от твердых отложений на стенках и в отверстиях перфорации обсадной трубы, закачивая различные технические сжимаемые жидкости (газ, воздух, пар). При этом замечено, что наличие колебаний давления в прокачиваемой жидкости способствует достижению лучшего результата.Oil production wells are periodically cleaned from solid deposits on the walls and in the perforation holes of the casing, pumping various technical compressible fluids (gas, air, steam). It was noted that the presence of pressure fluctuations in the pumped liquid contributes to the achievement of a better result.
Наиболее эффективны способы создания колебаний давления в стволе нагнетающей скважины при помощи ГГ, устанавливаемых непосредственно в том месте, где они наиболее востребованы, т.е. на нижнем конце НКТ, напротив отверстий перфорации. При таком способе генерирования колебаний давления, вся жидкость прокачивается через ГГ, который создает колебания давления в протекающей через него жидкости, распространяя свое воздействие на прилегающую область продуктивного пласта.The most effective methods of creating pressure fluctuations in the well bore with the help of GGs installed directly in the place where they are most in demand, i.e. on the lower end of the tubing, opposite the perforation holes. With this method of generating pressure fluctuations, all the fluid is pumped through the GG, which creates pressure fluctuations in the fluid flowing through it, spreading its effect on the adjacent area of the reservoir.
В ГГ отсутствуют подвижные детали. ГГ представляет собой устройство, в котором часть кинетической энергии потока прокачиваемой жидкости (газа) преобразуется в колебательную энергию при помощи специальной формы канала.In the GG there are no moving parts. GG is a device in which part of the kinetic energy of the pumped liquid (gas) flow is converted into vibrational energy using a special channel shape.
Недостаток ГГ заключается в том, что лишь небольшая доля кинетической энергии потока преобразуется в колебательную энергию.The disadvantage of GH is that only a small fraction of the kinetic energy of the stream is converted into vibrational energy.
Известен способ генерирования волн давления в стволе нагнетательной скважины, реализованный в устройстве [RU 2670623 С2, 24.10.2018] наиболее близкий по технической сущности и взятый за прототип, при котором устанавливают на нижнем конце насосно-компрессорной трубы (НКТ) струйный акустический излучатель, состоящий из: камеры-резонатора с двумя крышками; сопла с сопловым срезом, выполненного в передней крышке; и выходного отверстия с острой кромкой, выполненного соосно соплу в задней крышке; в котором сопло соединяют с НКТ, а выходное отверстие направляют в затрубное пространство скважины, при этом, подают жидкость по НКТ в сопло, формируют в камере-резонаторе в интервале между сопловым срезом и выходным отверстием струю жидкости, характеризующуюся наличием разгонного участка с плавным увеличением скорости струи и последующего участка свободного истечения с плавным расширением струи, и направляют струю жидкости на острую кромку выходного отверстия, генерируют первичные колебания давления в области острой кромки, усиливают эти первичные колебания давления в камере-резонаторе, частота собственных колебаний которой настроена в резонанс с частотой генерации первичных колебаний давления, формируют семейство мод на частоте акустического резонанса, характеризующееся определенным набором чисел Струхаля, и создают волны давления за выходным отверстием в затрубном пространстве скважины.A known method of generating pressure waves in the injection wellbore, implemented in the device [RU 2670623 C2, 10.24.2018] is the closest in technical essence and taken as a prototype, in which an acoustic jet emitter is installed at the lower end of the tubing (tubing), consisting of from: resonator chamber with two covers; nozzle with a nozzle cut made in the front cover; and an outlet with a sharp edge, made coaxially with the nozzle in the rear cover; in which the nozzle is connected to the tubing, and the outlet is directed into the annulus of the well, while the fluid is supplied through the tubing to the nozzle, a fluid stream is formed in the cavity chamber between the nozzle exit and the outlet, characterized by the presence of an accelerating section with a smooth increase in speed the jet and the subsequent section of free flow with a smooth expansion of the jet, and direct the liquid stream to the sharp edge of the outlet, generate primary pressure fluctuations in the region of the sharp edge, reinforcing these primary pressure fluctuations in the chamber-resonator, the natural frequency of which is tuned to resonance with the frequency of the pressure oscillations generating primary, form a family of modes in acoustic resonance frequency, characterized by a certain set Strouhal numbers, and create a pressure wave of the outlet in the annulus.
Это устройство названо струйным резонатором Гельмгольца (Jet Driven Helmholtz Oscillator), что можно было бы перевести и как управляемый струей резонатор Гельмгольца, или же возбуждаемый струей резонатор Гельмгольца. Мы его называем (применительно к использованию в качестве скважинного устройства) струйным акустическим излучателем (САИ).This device is called the Jet Driven Helmholtz Oscillator, which could also be translated as a Helmholtz resonator controlled by a jet, or a Helmholtz resonator excited by a jet. We call it (with reference to use as a downhole device) a jet acoustic emitter (AIS).
САИ различаются конструктивно, но, как правило, включают в свой состав две основные части: струйный генератор (СГ) и камеру объемного резонатора (КОР), функционирующие относительно самостоятельно. СГ включает сопло - струю жидкости - острую кромку и предназначен для преобразования некоторой части кинетической энергии струи в энергию первичных колебаний давления. КОР предназначена для увеличения амплитуды первичных колебаний давления. Для усиления первичных колебаний давления необходимо согласовать частоту их генерации с частотой собственных колебаний КОР. Иными словами, две части одного устройства должны быть настроены в унисон для достижения резонанса.AISs differ structurally, but, as a rule, they include two main parts: a jet generator (SG) and a cavity resonator chamber (CCF), which function relatively independently. SG includes a nozzle - a liquid stream - a sharp edge and is designed to convert some part of the kinetic energy of the stream into the energy of the primary pressure oscillations. COR is designed to increase the amplitude of the primary pressure fluctuations. To amplify the primary pressure oscillations, it is necessary to coordinate the frequency of their generation with the frequency of natural oscillations of the BOR. In other words, two parts of the same device must be tuned in unison to achieve resonance.
Генератор активен, он сам создает первичные колебания давления, поскольку в его составе имеется высокоскоростная струя, располагающая для этого запасом кинетической энергии. Резонатор пассивен, он лишь откликается, т.е. усиливает колебания давления, созданные каким-то другим устройством, поскольку заключенный в нем столб газа почти неподвижен.The generator is active, it itself creates the primary pressure fluctuations, since it contains a high-speed jet, which has a kinetic energy reserve for this. The resonator is passive, it only responds, i.e. amplifies the pressure fluctuations created by some other device, since the gas column enclosed in it is almost motionless.
Процесс генерации колебаний давления в СГ начинают с разгона потока, поскольку амплитуда колебаний давления А увеличивается с увеличением величины скоростного напора A~pW2/2 струи. Разгон потока осуществляется в сопле, которое кроме увеличения скорости служит еще для формирования круглой струи. Сформированная свободная струя направляется через всю камеру-резонатор прямо в выходное отверстие и задевает своей возмущенной периферией его острую внутреннюю кромку. Это порождает небольшие локальные возмущения давления в области острой кромки. Резонатор служит для усиления этих первичных колебаний давления. Недостатком способа, взятого за прототип, является невысокая эффективность взаимодействия струи с острой кромкой выходного отверстия, вследствие образования пленочной завесы, окружающей струю.The process of generating pressure oscillations in the SG begin to flow acceleration, since the amplitude of pressure oscillations A increases with the magnitude of the velocity head A ~ pW 2/2 stream. The acceleration of the flow is carried out in the nozzle, which, in addition to increasing the speed, also serves to form a round jet. The formed free stream is directed through the entire resonator chamber directly into the outlet and touches its sharp inner edge with its perturbed periphery. This gives rise to small local pressure disturbances in the region of the sharp edge. The resonator serves to amplify these primary pressure fluctuations. The disadvantage of the method taken as a prototype is the low efficiency of the interaction of the jet with the sharp edge of the outlet, due to the formation of a film curtain surrounding the stream.
Известен струйный акустический излучатель для генерирования волн давления в потоке жидкости [US 602974 A 29.02.2000], представляющий собой полое тело вращения и состоящее из: цилиндрической камеры с двумя крышками; цилиндрического сопла, выполненного в центре передней крышки и выходного отверстия с острой кромкой, выполненного соосно соплу в центре задней крышки; причем.Known jet acoustic emitter for generating pressure waves in a fluid stream [US 602974 A 29.02.2000], which is a hollow body of revolution and consisting of: a cylindrical chamber with two covers; a cylindrical nozzle made in the center of the front cover and an outlet with a sharp edge made coaxially with the nozzle in the center of the back cover; moreover.
Устройство снабжено цилиндрическим соплом, представляющим собой сквозное сверление в плоской передней крышке. Сопло начинается с острой входной кромки и заканчивается острой выходной кромкой. Плоскость выходного среза сопла расположена на внутренней поверхности передней крышки. Выходное отверстие также представляет собой сквозное сверление в плоской задней крышке. Входная кромка выходного отверстия острая. Острая входная кромка выходного отверстия расположена на внутренней поверхности задней крышки.The device is equipped with a cylindrical nozzle, which is a through hole in a flat front cover. The nozzle begins with a sharp inlet edge and ends with a sharp outlet edge. The nozzle exit cut plane is located on the inner surface of the front cover. The outlet also provides through-hole drilling in the flat back cover. The inlet edge of the outlet is sharp. The sharp inlet edge of the outlet is located on the inner surface of the back cover.
Недостатком устройства является излишняя длина сопла, которая существенно превышает диаметр сопла, а также излишняя длина камеры резонатора, которая существенно превышает диаметр сопла.The disadvantage of this device is the excessive length of the nozzle, which significantly exceeds the diameter of the nozzle, as well as the excessive length of the cavity of the resonator, which significantly exceeds the diameter of the nozzle.
Из [RU 2670623 С2, 24.10.2018] известен струйный акустический излучатель для генерирования волн давления в потоке жидкости, наиболее близкий по технической сущности и взятый за прототип, представляющий собой полое тело вращения и состоящий из: цилиндрической камеры, ограниченной двумя плоскими крышками; сопла, представляющего собой сквозное отверстие в центре передней крышки; и выходного отверстия с острой входной кромкой, выполненного соосно соплу в центре задней крышки, причем сопло заканчивается плоским сопловым срезом, ортогональным оси сопла и расположенным на внутренней стенке передней крышки, а плоскость входа в выходное отверстие ортогональна оси выходного отверстия и расположена на внутренней стенке задней крышки.From [RU 2670623 C2, 10.24.2018] a jet acoustic emitter is known for generating pressure waves in a fluid stream, the closest in technical essence and taken as a prototype, which is a hollow body of revolution and consisting of: a cylindrical chamber bounded by two flat covers; a nozzle representing a through hole in the center of the front cover; and an outlet with a sharp inlet edge made coaxially with the nozzle in the center of the back cover, the nozzle ending with a flat nozzle cut orthogonal to the axis of the nozzle and located on the inner wall of the front cover, and the plane of the entrance to the outlet orthogonal to the axis of the outlet and located on the inner wall of the back covers.
Струйный акустический излучатель представляет собой цилиндрическую камеру с двумя плоскими крышками. В центре передней крышки выполнено сопло цилиндрической формы, которое подсоединяется к магистрали подачи рабочей жидкости. В центре задней крышки, соосно соплу, выполнено выходное цилиндрическое отверстие с острой входной кромкой. Диаметр выходного отверстия примерно равен 1,3 диаметра сопла. Длина камеры равна интервалу между передней и задней крышками и соответствует длине струи, которая протекает внутри камеры между соплом и выходным отверстием.The jet acoustic emitter is a cylindrical chamber with two flat covers. In the center of the front cover is a nozzle of cylindrical shape, which is connected to the supply line of the working fluid. In the center of the back cover, coaxial to the nozzle, there is a cylindrical outlet with a sharp inlet edge. The diameter of the outlet is approximately 1.3 nozzle diameters. The length of the chamber is equal to the interval between the front and rear covers and corresponds to the length of the jet that flows inside the chamber between the nozzle and the outlet.
Сопло представляет собой сквозное сверление в плоской передней крышке. Сопло обрезано плоскостью, ортогональной оси сопла и совпадающей с внутренней стенкой передней крышки. Выход сопла обращен внутрь камеры, диаметр которой значительно превышает диаметр сопла.The nozzle is a through hole in a flat front cover. The nozzle is cut off by a plane orthogonal to the axis of the nozzle and coinciding with the inner wall of the front cover. The nozzle exit faces the inside of the chamber, the diameter of which significantly exceeds the diameter of the nozzle.
Выходное отверстие также представляет собой сквозное сверление в центре задней крышки и имеет плоскую острую кромку на входе, который находится на внутренней стенке задней крышки.The outlet also represents a through hole in the center of the back cover and has a flat sharp edge at the inlet, which is located on the inner wall of the back cover.
Недостатком устройства является большой интервал между входом сопла и острой входной кромкой выходного отверстия.The disadvantage of this device is the large interval between the nozzle inlet and the sharp inlet edge of the outlet.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение устойчивой генерации с высокой интенсивностью акустических колебаний в широком интервале скорости струи жидкости при генерировании волн давления в затрубном пространстве в стволе нагнетательной скважины (увеличение интенсивности генерации в САИ) для повышения степени очистки от твердых отложений стенок обсадных труб и отверстий перфорации, декольматации призабойной зоны пласта и увеличения подвижности пластовых флюидов.The objective of the present invention is to provide stable generation with high intensity of acoustic vibrations in a wide range of fluid velocity when generating pressure waves in the annulus in the injection well (increasing the intensity of generation in AIS) to increase the degree of purification from solid deposits of casing walls and perforation holes, decolmatization of the bottom-hole formation zone and increase in the mobility of formation fluids.
Технический результат изобретения состоит в уменьшении толщины вялотекущей пленки, обволакивающей струю жидкости на выходе из сопла излучателя, что приводит к увеличению интенсивности взаимодействия струи с острой кромкой выходного отверстия, вследствие чего наблюдается заметное усиление генерации первичных колебаний давления в области острой кромки и увеличение амплитуды колебаний давления на выходе из устройства. Уменьшение толщины вялотекущей пленки достигается укорочением зоны обратных токов в канале сопла, где эта пленка образуется, за счет размещение разгонного участка струи, характеризующегося небольшой толщиной слоя смешения, в интервале между входом сопла и острой входной кромкой выходного отверстия). Техническим результатом также является расположение острой кромки выходного отверстия на разгонном участке струи в области тонкого слоя смешения, что устраняет интервалы тишины в режиме генерации в устройстве САИ при изменении скорости струи.The technical result of the invention is to reduce the thickness of the sluggish film enveloping the liquid stream at the outlet of the emitter nozzle, which leads to an increase in the intensity of the interaction of the jet with the sharp edge of the outlet, resulting in a noticeable increase in the generation of primary pressure oscillations in the region of the sharp edge and an increase in the amplitude of pressure fluctuations at the exit of the device. A decrease in the thickness of the sluggish film is achieved by shortening the reverse current zone in the nozzle channel where this film is formed due to the placement of the accelerating portion of the jet, characterized by a small thickness of the mixing layer, in the interval between the nozzle inlet and the sharp inlet edge of the outlet). The technical result is also the location of the sharp edge of the outlet on the accelerating section of the jet in the region of a thin layer of mixing, which eliminates the intervals of silence in the generation mode in the AIS device when the jet velocity changes.
Задача решается, и технический результат достигается за счет того, что способе генерирования волн давления в затрубном пространстве нагнетательной скважины, при котором устанавливают на нижнем конце насосно-компрессорной трубы (НКТ) скважинный акустический излучатель, состоящий из: камеры-резонатора с двумя крышками; сопла с сопловым срезом, выполненным в передней крышке; и выходного отверстия с острой кромкой, выполненного соосно соплу в задней крышке; в котором сопло соединяют с НКТ, а выходное отверстие направляют в затрубное пространство скважины, при этом, подают жидкость по НКТ в сопло, формируют в камере-резонаторе в интервале между сопловым срезом и выходным отверстием струю жидкости, характеризующуюся наличием разгонного участка с плавным увеличением скорости струи и последующего участка свободного истечения с плавным расширением струи, и направляют струю жидкости на острую кромку выходного отверстия, генерируют первичные колебания давления в области острой кромки, усиливают эти первичные колебания давления в камере-резонаторе, частота собственных колебаний которой настроена в резонанс с частотой генерации первичных колебаний давления, формируют семейство мод на частоте акустического резонанса, характеризующееся определенным набором чисел Струхаля, и создают волны давления за выходным отверстием в затрубном пространстве скважины, разгонный участок струи частично размещают внутри сопла, а оставшуюся часть разгонного участка размещают в камере-резонаторе таким образом, чтобы наименьшее сечение струи dmin находилось в плоскости острой кромки выходного отверстия, при этом, семейство мод сводят к единственной моде с высокой интенсивностью, существующей в широком интервале числа Струхаля.The problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the method of generating pressure waves in the annulus of the injection well, in which a downhole acoustic emitter is installed at the lower end of the tubing (tubing), consisting of: a resonator chamber with two covers; nozzles with a nozzle cut made in the front cover; and an outlet with a sharp edge, made coaxially with the nozzle in the rear cover; in which the nozzle is connected to the tubing, and the outlet is directed into the annulus of the well, while the fluid is supplied through the tubing to the nozzle, a fluid stream is formed in the cavity chamber between the nozzle exit and the outlet, characterized by the presence of an accelerating section with a smooth increase in speed the jet and the subsequent section of free flow with a smooth expansion of the jet, and direct the liquid stream to the sharp edge of the outlet, generate primary pressure fluctuations in the region of the sharp edge, reinforcing these primary pressure oscillations in the resonator chamber, the natural oscillation frequency of which is tuned to the resonance with the primary pressure oscillation frequency, form a family of modes at the acoustic resonance frequency, characterized by a specific set of Strouhal numbers, and create pressure waves behind the outlet in the annulus of the well, the jet section is partially placed inside the nozzle, and the remaining part of the acceleration section is placed in the resonator chamber so that the smallest jet cross section dmin was in the plane of the sharp edge of the outlet, and the family of modes is reduced to a single mode with high intensity, which exists in a wide range of the Strouhal number.
В струйном акустическом излучателе для генерирования волн давления в потоке жидкости, представляющем собой полое тело вращения и состоящем из: цилиндрической камеры, ограниченной двумя плоскими крышками; сопла, представляющего собой сквозное отверстие в центре передней крышки; и выходного отверстия с острой входной кромкой, выполненного соосно соплу в центре задней крышки, причем, сопло заканчивается плоским сопловым срезом, ортогональным оси сопла и расположенным на внутренней стенке передней крышки, а плоскость входа в выходное отверстие ортогональна оси выходного отверстия и расположена на внутренней стенке задней крышки; длина цилиндрического сопла 
Предложенный способ позволяет за счет размещения разгонного участка струи, характеризующегося небольшой толщиной слоя смешения, в интервале между входом сопла и острой входной кромкой выходного отверстия, что обеспечивается выполнением: сопла - длиной 
На фиг. 1 представлена схема камеры струйного акустического излучателя с цилиндрическим соплом.In FIG. 1 is a diagram of a jet acoustic emitter chamber with a cylindrical nozzle.
На фиг. 2 представлена схема заполнения струей камеры струйного акустического излучателя.In FIG. 2 shows a diagram of the filling of a jet acoustic emitter with a camera jet.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение формирование зоны обратных токов в цилиндрическом канале сопла и образование вялотекущей пленки, окружающей струю.In FIG. Figure 3 shows a schematic representation of the formation of a reverse current zone in the cylindrical channel of the nozzle and the formation of a sluggish film surrounding the jet.
На фиг. 4 представлена "модовая картинка", воплощающая собой обработанные результаты эксперимента с САИ, имеющим длинное сопло и длинную камеру резонатора. Наблюдается семейство из пяти мод на различных характеристиках с различными числами Струхаля. Видно, что режим генерации перескакивает с одной характеристики на другую при изменении скорости струи, а моды разделены интервалами тишины.In FIG. Figure 4 shows a “fashion picture” embodying the processed results of an experiment with an AIS having a long nozzle and a long cavity chamber. A family of five modes is observed on different characteristics with different Strouhal numbers. It can be seen that the lasing regime jumps from one characteristic to another when the jet velocity changes, and the modes are separated by silence intervals.
На фиг. 5 представлена "модовая картинка", воплощающая собой обработанные результаты эксперимента с САИ, имеющим короткое сопло и короткую камеру резонатора. Наблюдается единственная мода во всем интервале рабочей скорости. Интервалов тишины внутри моды не наблюдается.In FIG. 5 presents a “modal picture” embodying the processed results of an experiment with an AIS having a short nozzle and a short cavity chamber. A single mode is observed in the entire range of operating speed. Intervals of silence within the mode are not observed.
Сущность предложенного изобретения состоит в следующем.The essence of the proposed invention is as follows.
Сопло, как известно, представляет собой сужение канала и служит для увеличения скорости потока, причем скорость потока на выходе из сопел различной формы различается весьма незначительно. Коэффициент скорости ϕ, представляющий собой отношение истинной скорости к теоретической, составляет величину порядка 0,97 для сопел, значительно различающихся геометрически. На входе в канал цилиндрической формы струя сильно поджимается, огибая входную острую кромку, и площадь наименьшего сечения струи dmin составляет порядка 62% площади канала. [см. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М. Машиностроение. 1992].The nozzle, as you know, is a narrowing of the channel and serves to increase the flow rate, and the flow rate at the exit of the nozzles of various shapes varies very slightly. The velocity coefficient ϕ, which is the ratio of the true velocity to the theoretical one, is of the order of 0.97 for nozzles that differ significantly geometrically. At the entrance to the channel of a cylindrical shape, the jet is strongly compressed, enveloping the input sharp edge, and the area of the smallest section of the jet dmin is about 62% of the channel area. [cm. Idelchik I.E. Handbook of hydraulic resistance. M. Engineering. 1992].
Проведенные эксперименты с цилиндрическими соплами различной длины показали, что амплитуда колебаний давления в камере-резонаторе САИ с соплами, длина которых 
При этом, вторым необходимым условием высокой интенсивности генерации колебаний давления в камере резонатора является небольшая длина самой камеры Lк, менее половины диаметра сопла dc (Lк<dc/2). Увеличение длины сопла свыше одного диаметра приводит к уменьшению интенсивности генерации в САИ даже при короткой камере резонаторе. Но в целом, короткая камера резонатора обеспечивает более высокую интенсивность генерации, нежели та же конструкция САИ, но с камерой длиннее половины диаметра сопла.At the same time, the second necessary condition for the high intensity of generation of pressure oscillations in the cavity chamber is the small chamber length Lк, less than half the nozzle diameter dc (Lк <dc / 2). An increase in nozzle length over one diameter leads to a decrease in the generation intensity in the AIS even with a short cavity chamber. But in general, the short cavity chamber provides a higher generation intensity than the same AIS design, but with a chamber longer than half the nozzle diameter.
В цилиндрическом сопле, установленном в подводящей магистрали НКТ, представляющей собой трубу большего диаметра, поток значительно поджимается при повороте вокруг входной острой кромки и отрывается от стенки цилиндрического участка сопла фиг. 2). Статическое давление в потоке (в дальнейшем просто давление) при увеличении скорости заметно уменьшается. Поток заполняет часть площади поперечного сечения сопла, а давление внутри канала сопла примерно соответствует давлению в потоке. Площадь наименьшего сечения струи dmin составляет примерно 62% от площади входного отверстия, а в кольцевом промежутке между стенкой сопла и потоком направленное движение отсутствует. По этой причине воздух из камеры устремляется внутрь сопла вдоль стенки по кольцевому промежутку, поскольку там давление ниже, чем давление в камере-резонаторе, формируя обратное течение возле стенки канала сопла (см. фиг. 3). Обратное течение (зона обратных токов ЗОТ) распространяет свое влияние почти до входной острой кромки сопла, и жидкость из камеры-резонатора движется по стенке почти до входной кромки сопла, а затем подхватывается потоком и выносится из сопла в камеру. Эта вялотекущая пленка, обволакивающая струю жидкости на выходе из сопла, снижает интенсивность взаимодействия струи с острой кромкой выходного отверстия, вследствие чего наблюдается заметное ослабление генерации первичных колебаний давления в области острой кромки и уменьшение амплитуды колебаний давления на выходе из устройства.In a cylindrical nozzle installed in the tubing supply line, which is a pipe of a larger diameter, the flow is significantly compressed when turning around an input sharp edge and detaches from the wall of the cylindrical section of the nozzle of FIG. 2). The static pressure in the stream (hereinafter simply pressure) decreases significantly with increasing speed. The stream fills part of the nozzle cross-sectional area, and the pressure inside the nozzle channel approximately corresponds to the pressure in the stream. The area of the smallest jet cross section dmin is approximately 62% of the inlet area, and there is no directional movement in the annular gap between the nozzle wall and the flow. For this reason, air from the chamber rushes into the nozzle along the wall along the annular gap, since there the pressure is lower than the pressure in the resonator chamber, forming a reverse flow near the nozzle channel wall (see Fig. 3). The reverse flow (zone of reverse currents of the GDO) spreads its influence almost to the input sharp edge of the nozzle, and the liquid from the resonator chamber moves along the wall almost to the input edge of the nozzle, and then it is picked up by the flow and carried out of the nozzle into the chamber. This sluggish film enveloping a stream of liquid at the exit of the nozzle reduces the intensity of the interaction of the stream with the sharp edge of the outlet, resulting in a noticeable weakening of the generation of primary pressure oscillations in the region of the sharp edge and a decrease in the amplitude of pressure fluctuations at the exit of the device.
Как известно, коротким соплом считается сопло такой длины, когда его стенки не оказывают влияния на развивающуюся внутри канала сопла струю. Струя в таком канале развивается по законам обтекания острой кромки. Если струя на выходе из канала задевает его стенку, то такой канал считается не соплом, а насадком. [Артемьева Т.В., Лысенко Т.М., Румянцева А.Н., Стесин С.П. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод. М. Издательский центр "Академия". 2005].As you know, a nozzle of such a length is considered to be a short nozzle when its walls do not affect the jet developing inside the nozzle channel. A jet in such a channel develops according to the laws of the flow around a sharp edge. If the jet at the outlet of the channel touches its wall, then such a channel is considered not a nozzle, but a nozzle. [Artemyeva T.V., Lysenko T.M., Rumyantseva A.N., Stesin S.P. Hydraulics, hydraulic machines and hydropneumatic drive. M. Publishing Center "Academy". 2005].
Из теории пограничного слоя известно, что при разгоне потока в канале и связанного с этим уменьшением давления по длине канала, толщина пограничного слоя увеличивается медленнее, нежели в случае торможения потока и увеличении давления по длине канала [Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. Наука. 1974. 712 с.]. Также ведет себя и слой смешения при свободном развитии струи на разгонном участке, где давление в струе уменьшается до наименьшего сечения dmin. За наименьшим сечением струя начинает плавно расширяться и интенсивно смешиваться с окружающей жидкостью.From the theory of the boundary layer, it is known that when the flow in the channel is accelerated and the pressure decreases along the channel length, the thickness of the boundary layer increases more slowly than in the case of flow deceleration and pressure increase along the channel [Schlichting G. Theory of the boundary layer. M. Science. 1974. 712 p.]. The mixing layer also behaves during the free development of the jet in the accelerating section, where the pressure in the jet decreases to the smallest cross section dmin. After the smallest cross-section, the jet begins to expand smoothly and intensively mix with the surrounding fluid.
На разгонном участке слой смешения нарастает медленно, струя менее интенсивно смешивается с жидкостью в ЗОТ, и струя в меньшей степени окутана вялотекущей пленкой на выходе из сопла. В случае идеальной жидкости (отсутствии сил вязкости) распределение скорости в наименьшем сечении струи имеет равномерную форму, и скорость жидкости на периферии струи такая же, как и в центре. Вследствие наличия сил вязкости и смешения струи с окружающей жидкостью в ЗОТ скорость на периферии струи существенно меньше, нежели в центре струи.In the accelerated section, the mixing layer grows slowly, the jet mixes less intensely with the liquid in the GRA, and the stream is less enveloped by a sluggish film at the exit of the nozzle. In the case of an ideal fluid (the absence of viscosity forces), the velocity distribution in the smallest section of the jet has a uniform shape, and the fluid velocity at the periphery of the jet is the same as in the center. Due to the presence of viscous forces and mixing of the jet with the surrounding liquid in the GD, the velocity at the periphery of the jet is significantly lower than at the center of the jet.
Для увеличения интенсивности генерации в САИ следует формировать струю с высокой скоростью на периферии и тонким слоем смешения по длине струи до ее взаимодействия с острой кромкой. Для этого следует располагать острую кромку не далее той плоскости, в которой площадь сечения струи имеет наименьшее значение. Длина разгонного участка должна превышать интервал между входом в сопло и входом в выходное отверстие. Длина сопла и длина камеры в совокупности не должны быть длиннее разгонного участка струи. Эксперименты показывают, что наибольшая интенсивность генерации отмечается в том случае, когда сечение струи с dmin располагается в плоскости острой кромки.To increase the generation intensity in the AIS, a jet should be formed with a high velocity at the periphery and with a thin layer of mixing along the length of the jet before it interacts with a sharp edge. To do this, place a sharp edge no further than the plane in which the cross-sectional area of the jet is of the least importance. The length of the booster section must exceed the interval between the entrance to the nozzle and the entrance to the outlet. The nozzle length and the chamber length in the aggregate should not be longer than the accelerating section of the jet. Experiments show that the highest generation intensity is observed when the jet cross section with dmin is in the plane of the sharp edge.
Увеличение длины сопла приводит к увеличению длины участка, на котором струя смешивается с обратными токами в канале. Это приводит к увеличению толщины пленки, окружающей струю на выходе из сопла и понижению интенсивности взаимодействия струи с острой кромкой.An increase in nozzle length leads to an increase in the length of the portion in which the jet mixes with the return currents in the channel. This leads to an increase in the thickness of the film surrounding the jet at the exit of the nozzle and to a decrease in the intensity of interaction of the jet with a sharp edge.
Высокая скорость на периферии струи способствует большей интенсивности ее взаимодействия с острой кромкой выходного отверстия и возникновению первичных колебаний давления (ПКД) большей интенсивности в области острой кромки. Если струя проскальзывает в выходное отверстие, не задевая острой кромки, или же задевает кромку своей вялотекущей периферией, то интенсивность генерации ПКД снижается. Также снижается интенсивность волн давления на выходе из САИ.High speed at the periphery of the jet contributes to a greater intensity of its interaction with the sharp edge of the outlet and the occurrence of primary pressure fluctuations (PCD) of greater intensity in the region of the sharp edge. If the jet slips into the outlet without touching the sharp edge, or touches the edge with its slow-moving periphery, the intensity of the PCD generation decreases. The intensity of pressure waves at the exit from the AIS is also reduced.
Та же логика прослеживается в отношении влияния длины камеры резонатора на интенсивность взаимодействия струи с острой кромкой выходного отверстия. До наименьшего сечения dmin (фиг. 3) слой смешения нарастает менее заметно, поскольку давление в струе на протяжении разгонного участка уменьшается. За наименьшим сечением dmin струя начинает расширяться более интенсивно, вследствие смешения с прилегающими слоями жидкости в ЗОТ, и скорость на поверхности струи быстро уменьшается. Эксперименты показывают, что оптимальная длина сопла 
Авторами предлагается устранить образование толстой вялотекущей пленки вокруг струи за счет укорочения зоны обратных токов в канале сопла, где эта пленка и образуется, а также расположить острую кромку выходного отверстия на разгонном участке струи, в области тонкого слоя смешения.The authors propose to eliminate the formation of a thick sluggish film around the jet due to the shortening of the reverse current zone in the nozzle channel, where this film is formed, and also to place the sharp edge of the outlet in the acceleration section of the jet, in the region of a thin mixing layer.
При этом, следует располагать срез сопла на внутренней поверхности передней крышки камеры. Сопловой срез должен быть плоским. Плоскость соплового среза должна быть ортогональной оси сопла и быть совмещена с плоскостью внутренней стенки передней крышки камеры. На выходе из сопла, за выходной острой кромкой 90°, нужно организовать кольцевой вихрь в застойной зоне.In this case, the nozzle cut should be located on the inner surface of the front cover of the camera. The nozzle cut must be flat. The plane of the nozzle cut should be orthogonal to the axis of the nozzle and should be aligned with the plane of the inner wall of the front cover of the chamber. At the exit of the nozzle, behind the exit with a sharp edge of 90 °, it is necessary to organize an annular vortex in the stagnant zone.
Режим генерации в устройстве САИ, взятого за прототип, характеризуется наличием семейства мод - режимов устойчивой генерации, характеризующихся определенным числом Струхаля Sh=ƒ⋅Lк/W, где ƒ - частота генерации, грубо можно принять частоту собственных колебаний камеры резонатора, Lк - длина камеры резонатора, W - скорость струи. Режим генерации сменяется интервалами тишины при изменении скорости струи (фиг. 4). Это создает дополнительные трудности при работе САИ, поскольку в процессе работы скорость потока немного колеблется, и генерация возникает и исчезает при незначительных колебаниях расхода жидкости.The generation mode in the AIS device, taken as a prototype, is characterized by the presence of a family of modes - stable generation modes, characterized by a certain Strouhal number Sh = ƒ⋅Lк / W, where ƒ is the generation frequency, roughly you can take the natural frequency of the resonator chamber, Lк - camera length resonator, W is the jet velocity. The generation mode is replaced by intervals of silence when the jet velocity changes (Fig. 4). This creates additional difficulties during the operation of AIS, since during the operation the flow rate fluctuates slightly, and the generation appears and disappears with slight fluctuations in the fluid flow.
САИ с коротким соплом и короткой камерой лишен этого недостатка, как мы видим на фиг. 5. Режим генерации так же перескакивает с одной характеристики на другую с другим числом Струхаля. Но в интервале изменения скорости струи 20…70 м/с мы наблюдаем устойчивую генерацию в пределах одной моды, амплитуда которой в несколько раз выше, нежели на фиг. 4.AIS with a short nozzle and a short chamber is devoid of this drawback, as we see in FIG. 5. The generation mode also jumps from one characteristic to another with a different Strouhal number. But in the range of the jet velocity of 20 ... 70 m / s, we observe stable generation within the same mode, the amplitude of which is several times higher than in FIG. four.
Устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве нагнетающей скважины (см. фиг. 1) состоит из цилиндрического корпуса 1, передней плоской крышки 2, задней плоской крышки 3, цилиндрического сопла 4 в передней крышке, выходного отверстия с острой кромкой 5 в задней крышке. Камера объемного резонатора представляет собой трубу, заглушенную с обоих торцев плоскими крышками, установленными параллельно друг другу и перпендикулярно оси камеры-резонатора. В первой (по-потоку) крышке камеры выполнено входное сопло, а в задней крышке - выходное отверстие.A device for generating pressure waves in the annulus of an injection well (see Fig. 1) consists of a
Цилиндрический участок сопла заканчивается плоским сопловым срезом с острой выходной кромкой. Плоскость, в которой выполнен сопловой срез, ортогональна оси сопла и совмещена с внутренней плоской стенкой передней крышки, в которой и выполнено сопло.The cylindrical section of the nozzle ends with a flat nozzle cut with a sharp exit edge. The plane in which the nozzle section is made is orthogonal to the axis of the nozzle and aligned with the inner flat wall of the front cover, in which the nozzle is made.
Выходное отверстие выполнено в задней крышке соосно соплу и имеет острую входную кромку, направленную в сторону сопла.The outlet is made in the back cover coaxially with the nozzle and has a sharp inlet edge directed towards the nozzle.
Устройство установлено на нижнем конце НКТ и его сопло соединено с каналом НКТ, а выпускное отверстие направлено вниз, вдоль перфорации скважины.The device is installed on the lower end of the tubing and its nozzle is connected to the tubing channel, and the outlet is directed down along the perforation of the well.
Работает устройство для генерирования волн давления в затрубном пространстве скважины следующим образом. При подаче в НКТ ремонтируемой скважины технической сжимаемой жидкости, вся подаваемая жидкость протекает через скважинный акустический излучатель. При этом на выходе из сопла формируется круглая струя жидкости, которая устремляется в выходное отверстие, задевает острую кромку своей возмущенной периферией и в области острой кромки генерируются со строгой периодичностью слабые первичные колебания давления. Поскольку частота генерации первичных колебаний давления соответствует частоте собственных колебаний давления камеры-резонатора, то их амплитуда многократно увеличивается, а за выходным отверстием формируется волна давления. Далее волна распространяется через отверстия перфорации в затрубное пространство.A device for generating pressure waves in the annulus of a well operates as follows. When a technical compressible fluid is supplied to the tubing of a well being repaired, all the supplied fluid flows through the borehole acoustic emitter. At the same time, at the exit from the nozzle, a circular stream of liquid is formed, which rushes into the outlet, touches the sharp edge with its perturbed periphery, and weak primary pressure oscillations are generated with strict periodicity in the region of the sharp edge. Since the frequency of generation of the primary pressure oscillations corresponds to the frequency of natural oscillations of the pressure of the cavity chamber, their amplitude increases many times, and a pressure wave forms behind the outlet. Further, the wave propagates through the perforation holes into the annulus.
Отличительной особенностью работы данного устройства является то, что увеличение скорости потока происходит как внутри сопла, так и за соплом, на протяжении камеры резонатора до острой кромки выходного отверстия. Уменьшение давления по длине струи на разгонном участке сдерживает развитие слоя смешения, и струя сохраняет на периферии высокую скорость, поскольку менее интенсивно увлекает с собой окружающую жидкости из ЗОТ. Струя с высокой скоростью на периферии задевает острую кромку выходного отверстия, и при этом возникают локальные возмущения давления в области острой кромки, характеризующиеся более высокой амплитудой колебаний давления, которые усиливаются дополнительно внутри камеры резонатора. В этом случае, интенсивность упругих волн на выходе из САИ становится выше.A distinctive feature of the operation of this device is that an increase in the flow rate occurs both inside the nozzle and behind the nozzle, throughout the cavity chamber to the sharp edge of the outlet. The decrease in pressure along the length of the jet in the acceleration section inhibits the development of the mixing layer, and the jet retains a high velocity at the periphery, since it less actively carries the surrounding fluid from the BST. A jet with a high speed at the periphery touches the sharp edge of the outlet, and local pressure disturbances arise in the region of the sharp edge, which are characterized by a higher amplitude of pressure oscillations, which are amplified additionally inside the cavity chamber. In this case, the intensity of the elastic waves at the exit from the AIS becomes higher.
При этом, комбинация короткого сопла с короткой камерой резонатора (их совокупная длина соответствует длине разгонного участка струи) обеспечивает устойчивую генерацию с высокой интенсивностью в широком интервале скорости струи.Moreover, the combination of a short nozzle with a short cavity chamber (their total length corresponds to the length of the accelerated portion of the jet) provides stable generation with high intensity in a wide range of jet speeds.
Таким образом предложены способ и устройство генерирования волн давления в затрубном пространстве нагнетающей скважины, расширяющие выбор известных средств указанного назначения, и обеспечивающие устойчивую генерацию с высокой интенсивностью акустических колебаний в широком интервале скорости струи жидкости при генерировании волн давления в затрубном пространстве в стволе нагнетательной скважины (увеличение интенсивности генерации в САИ) для повышения степени очистки от твердых отложений стенок обсадных труб и отверстий перфорации, декольматации призабойной зоны пласта и увеличения подвижности пластовых флюидов. Способ и устройство позволяют увеличить амплитуду колебаний давления в затрубном пространстве нагнетательной скважины в 3 и более раза.Thus, the proposed method and device for generating pressure waves in the annulus of the injection well, expanding the selection of known means of this purpose, and providing stable generation with high intensity of acoustic vibrations in a wide range of fluid velocity when generating pressure waves in the annulus in the well of the injection well (increase generation intensity in AIS) to increase the degree of purification from solid deposits of casing walls and perforations AI decolmatation bottomhole formation zone and increase the mobility of the formation fluids. The method and device can increase the amplitude of pressure fluctuations in the annulus of the injection well by 3 or more times.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019101241A RU2705126C1 (en) | 2019-01-14 | 2019-01-14 | Method of generating pressure waves in the annular space of an injection well and a jet acoustic radiator with a short nozzle and a slot resonator for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019101241A RU2705126C1 (en) | 2019-01-14 | 2019-01-14 | Method of generating pressure waves in the annular space of an injection well and a jet acoustic radiator with a short nozzle and a slot resonator for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2705126C1 true RU2705126C1 (en) | 2019-11-05 |
Family
ID=68500732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019101241A RU2705126C1 (en) | 2019-01-14 | 2019-01-14 | Method of generating pressure waves in the annular space of an injection well and a jet acoustic radiator with a short nozzle and a slot resonator for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2705126C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4041984A (en) * | 1976-07-01 | 1977-08-16 | General Motors Corporation | Jet-driven helmholtz fluid oscillator |
| US5165438A (en) * | 1992-05-26 | 1992-11-24 | Facteau David M | Fluidic oscillator |
| RU2574889C2 (en) * | 2014-04-02 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук | Method and device for oil extraction at low formation pressure |
| RU2637008C2 (en) * | 2016-02-16 | 2017-11-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук | Method and device for jet honeycomb parametrical gun for pressure waves generating and modulating in the injection well hole |
| RU2653205C2 (en) * | 2016-03-09 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" | Method and device of jet combined parametrical gun for pressure waves generating and modulating in the injection well hole |
| RU2670623C1 (en) * | 2017-10-04 | 2018-10-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" | Method and device of borehole acoustic radiator with a smooth nozzle input for generating waves of pressure in annulus of injection well |
-
2019
- 2019-01-14 RU RU2019101241A patent/RU2705126C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4041984A (en) * | 1976-07-01 | 1977-08-16 | General Motors Corporation | Jet-driven helmholtz fluid oscillator |
| US5165438A (en) * | 1992-05-26 | 1992-11-24 | Facteau David M | Fluidic oscillator |
| RU2574889C2 (en) * | 2014-04-02 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук | Method and device for oil extraction at low formation pressure |
| RU2637008C2 (en) * | 2016-02-16 | 2017-11-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук | Method and device for jet honeycomb parametrical gun for pressure waves generating and modulating in the injection well hole |
| RU2653205C2 (en) * | 2016-03-09 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" | Method and device of jet combined parametrical gun for pressure waves generating and modulating in the injection well hole |
| RU2670623C1 (en) * | 2017-10-04 | 2018-10-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" | Method and device of borehole acoustic radiator with a smooth nozzle input for generating waves of pressure in annulus of injection well |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5495903A (en) | Pulsation nozzle, for self-excited oscillation of a drilling fluid jet stream | |
| US4681264A (en) | Enhancing liquid jet erosion | |
| US5165438A (en) | Fluidic oscillator | |
| US6029746A (en) | Self-excited jet stimulation tool for cleaning and stimulating wells | |
| CA2909334C (en) | Variable frequency fluid oscillators for use with a subterranean well | |
| CN112108278A (en) | Pulse oscillation device based on mathematical model construction design | |
| Johnson Jr et al. | Cavitating and structured jets for mechanical bits to increase drilling rate—Part I: Theory and concepts | |
| US5311955A (en) | Installation for cleaning the zone near the drill hole | |
| RU2705126C1 (en) | Method of generating pressure waves in the annular space of an injection well and a jet acoustic radiator with a short nozzle and a slot resonator for its implementation | |
| US6470980B1 (en) | Self-excited drill bit sub | |
| CN104763349B (en) | A kind of drilling well reinforcing pulse polycrystalline diamond compact bit | |
| RU2544201C2 (en) | Method and device for generating wave field at injector bottomhole with automatic tuning of generation constant frequency | |
| RU2670623C9 (en) | Method and device of borehole acoustic radiator with a smooth nozzle input for generating waves of pressure in annulus of injection well | |
| RU2572250C2 (en) | Method and device with ring for generation of pressure waves at bottom of well | |
| RU2789492C1 (en) | Method for generating and modulating pressure waves in an injection wellbore and a device for its implementation | |
| RU2399746C1 (en) | Device for wave processing of productive formations | |
| RU2351731C2 (en) | Hydro-acoustic facility for hole drilling | |
| RU2653205C2 (en) | Method and device of jet combined parametrical gun for pressure waves generating and modulating in the injection well hole | |
| RU2270315C2 (en) | Hydro-acoustic well drilling rig | |
| RU2637009C2 (en) | Method and device of jet parametrical gun with two toroidal chambers for pressure waves generating and modulating in the injection well hole | |
| RU2637008C2 (en) | Method and device for jet honeycomb parametrical gun for pressure waves generating and modulating in the injection well hole | |
| RU2610598C2 (en) | Method and device for two-chamber helmholz spray oscillator for generating pressure waves at the bottom hole | |
| RU2540746C2 (en) | Method and device for wave field generation at injector bottomhole with permanent rate of generation at changeable formation pressure | |
| RU2610045C2 (en) | Method and device for alignment of steam assisted gravity drainage with vibration-wave effect on productive formation in horizontal wells | |
| RU85581U1 (en) | PRODUCTIVE LAYER DEVICE |