5.1. Резонансное возбуждение упругих колебаний в скважине с использованием погружных отражателей трубных волн

Резонансное возбуждение скважины может достигаться как в режиме высокочастотных радиальных резонансов слоя жидкости [90], так и в режиме продольных резонансов столба жидкости на низких частотах [78]. Радиальный резонанс определяется радиусом скважины и возникает на высоких частотах порядка десятка килогерц и выше. При этом достигается согласование режима работы генератора и вмещающей скважину среды, так что практически вся мощность генератора передается в окружающий массив. Изменением частоты и распределением нагрузки по поверхности генератора можно управлять энергетической структурой поля в прискважинной зоне. Однако практическое использование радиальных резонансов существенно осложняется по следующим причинам. Частоты даже первых радиальных резонансов при существующих радиусах скважин слишком велики как для благоприятного проявления механизмов воздействия упругих колебаний на нефтеносный пласт, так и для согласования по частоте с резонансными режимами возбуждения пласта. К тому же упругие высокочастотные волны испытывают в породах сильное затухание. Поскольку движение среды при таких резонансах носит радиальный характер, то получение высоких амплитуд давления в скважине ограничивается допустимыми радиальными смещениями обсадной колонны и цементного кольца.

При продольных резонансах частота колебаний столба жидкости в скважине определяется в основном расстоянием между отражающими поверхностями скважины. За нижнюю отражающую поверхность обычно принимают зумпф, за верхнюю - контакт

12

жидкости и газа в колонне скважины. При больших расстояниях между этими границами резонансная частота колебаний будет достаточно низкой. Тем не менее эффективное использование продольных резонансов на низких частотах связано с определенными трудностями. Для создания резонансных продольных колебаний всего столба жидкости необходимо точно определить уровень жидкости в скважине, а также фазовую скорость распространения трубной волны по ней. Отражающие свойства нижней границы - зумпфа невелики, поскольку волновое сопротивление бетона и подстилающих горных пород ненамного превышает волновое сопротивление скважинной жидкости. Из-за значительной длины столба жидкости много энергии расходуется на затухание волн в самой жидкости и излучается в непродуктивные зоны выше нефтяного пласта.

Пытаясь избавиться от вышеперечисленных недостатков, применяют различного рода погружные резонансные устройства, в которых генератор с заданной частотой жестко связан с акустическими фильтрами-отражателями [3]. Подобные устройства состоят из генератора и замкнутого в корпусе устройства резонатора, при этом объем жидкости, заполняющей полость камеры-резонатора, образует колебательный контур, в котором устанавливается стоячая волна. Резонансное возбуждение колебаний достигается, если длина Ц отражателя и частота работы генератора f₀ связаны соотношением Ц = c/4f₀, где с - фазовая скорость распространения волн в жидкости.

Использование подобных устройств с фиксированными параметрами Ц, f₀ на практике недостаточно эффективно, так как фазовая скорость упругих волн в скважинной жидкости зависит от упругих свойств вмещающих пород и глубины погружения [33]. На продуктивном перфорированном интервале обсаженной скважины данная фазовая скорость также зависит от пористости и проницаемости пород коллектора, вязкости

13

скважинной жидкости и ее сжимаемости в поровом пространстве коллектора [178] и может меняться от скважины к скважине. Все это приводит к существенной нестабильности работы и невозможности достижения на практике резонансных режимов устройств, конструируемых по упрощенным правилам без учета вышерассмотренных факторов. К тому же длины резонансных устройств с фиксированными параметрами не могут быть достаточно большими по конструктивным причинам, а это ограничивает низкочастотный диапазон возбуждения для генератора.

Проведенное исследование ставило целью повышение эффективности воздействия на призабойную зону пластов упругими колебаниями через вертикальные а также наклонно-горизонтальные скважины, при этом оценивалась возможность достижения эффективных продольных резонансов скважинной жидкости с использованием "скользящих" отражателей-фильтров, устанавливаемых в пределах про­дуктивного интервала.

На рис. 5.1.1 приведена принципиальная схема резонансного режима возбуждения скважины с использованием полых погружных отражателей-фильтров. Полые отражатели-фильтры 1 заполняют газом и закрепляют на колонне насосно-компрессорных труб 3. Они образуют небольшой кольцевой зазор со стенками обсадной колонны. Перед спуском насосно-компрессорных труб в скважину расположение отражателей-фильтров по длине скважины и относительно генератора колебаний 2 может изменяться. При этом выбирают такие расстояния между отражателями, чтобы большая часть энергии генератора приходилась на продуктивный интервал.

Для подобного расположения отражателей при определении резонансной длины их размещения и при выборе оптимальной толщины отражателей h_r будем учитывать зависимость фазовой скорости трубной волны от упругости стенок скважины и вмещающих горных пород, а также от размеров

14

перфорационных каналов, плотности перфорации и фильтрационных характеристик коллектора.

Р ис. 5.1.1.