акустический генератор низкой частоты

Формула изобретения

1. Акустический генератор низкой частоты, содержащий ступенчатый стержень(концентратор), расположенный в горной породе с залежью нефти, размещенный в обойме, скрепленной с емкостью (паровым котлом) с водой и экраном с отверстиями, установленным под выпускным патрубком парогазовой смеси, с одной стороны опирающийся на фундамент, а с другой - соединенный с насосом подачи воды и секциями с камерами сгорания, крышкой, кольцевыми трубопроводами с впускными патрубками сжатого воздуха и патрубками охлаждающей воды камер сгорания, подсоединенные к воздушному турбокомпрессору с редуктором, электрогенератором, газоотделителем-конденсатором и насосу с радиатором, генераторы электрических импульсов, подключенные к электродам форсунок и форсунок детонаторов и к источнику электрического тока, систему транспортирования и нагнетания электропроводной жидкости и углеводородного топлива с размещенными в ней насосами с электродвигателями и распределительными устройствами, отличающийся тем, что он снабжен секциями, последовательно установленными друг за другом и скрепленные между собой, с равномерно расположенными в них по окружности камерами сгорания с каналами охлаждения, причем верхняя секция выполнена с крышкой со сферическими внутренними поверхностями под камеры сгорания и каналом охлаждения водой, а нижняя секция выполнена с камерами сгорания, переходящими в стволы, подсоединенные к суживающемуся соплу-концентратору ударных волн, камеры сгорания снабжены форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыскивания смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, и смежно расположенными к ним форсунками-детонаторами для впрыскивания струй электропроводной жидкости, при этом форсунки для впрыскивания смеси паров снабжены топливными форсунками и патрубками, внутри которых установлены шнеки, электродами, размещенными в цилиндрических каналах, выполненных из электроизоляционного материала, сообщающихся с соплами, направленными под углом друг к другу.

2. Акустический генератор по п.1, отличающийся тем, что форсунки для впрыскивания смеси паров снабжены взрывными камерами.

3. Акустический генератор по п.1, отличающийся тем, что в впускных патрубках сжатого воздуха камер сгорания размещены шнеки или установлены электромагнитные тарельчатые клапаны.

4. Акустический генератор по п.1, отличающийся тем, что суживающееся сопло нижней секции направлено по оси ступенчатого стержня (концентратора) и расположено с заданным зазором от его торца в слое воды емкости.

5. Акустический генератор по п.1, отличающийся тем, что форсунки-детонаторы с размещенными в них цилиндрическими каналами, выполненными из электроизоляционного материала, с одной стороны содержат электроды, а с другой - сопла, направленные под углом друг к другу, для впрыска струй электропроводной жидкости.

6. Акустический генератор по пп.1-5, отличающийся тем, что он дополнительно является источником парогазовой смеси с избыточным давлением, подключенный к газовой турбине электростанции с воздушным компрессором, редуктором и электрогенератором.

7. Акустический генератор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что он снабжен растяжками, прикрепленными к якорям, или дополнительными стойками, закрепленными в фундаменте.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, образующим концентрированные потоки акустической энергии, а именно к акустическим генераторам низкой частоты, большой мощности и направленным звуковым лучом, служащим для увеличения притока нефти в скважины.

Известны импульсные источники упругих колебаний, применяемые, например, в инженерной сейсморазведке и создающие кратковременное ударное воздействие в заданной точке /на поверхности, в горной выработке или в воде/.

К ним относятся ударно-механические источники /молот, падающий груз, маятниковый ударник/. Однако их глубинность ограничена 30-50 м. Близкими аналогами являются устройства, выполненные в виде шурфов с размещенными в них зарядами взрывчатых веществ /ВВ/, обеспечивающие неограниченную глубинность и широкий частотный спектр "см. Ляховицкий Ф.М. и др. Инженерная геофизика. М., Недра, 1989 г., с.71 /1/.

Основным существенным недостатком их является невозможность создания направленного воздействия взрыва в узкой зоне распространения звукового луча, низкий КПД, а также вредное воздействие на окружающую среду.

Близким к заявляемому акустическому генератору низкой частоты является газодинамический источник, например, типа ГСК-10. Он имеет взрывную камеру, установленную на грунт. Колебания возбуждаются при взрыве смеси пропана и кислорода /см.1, с.71/.

Основным существенным недостатком аналога является низкая мощность устройства и, соответственно, невысокая интенсивность акустического излучения, а также невозможность получения направленного звукового луча, ограниченная глубинность и низкий КПД. Кроме того, перечисленные устройства и аналоги не являются источниками, эффективно воздействующими на продуктивный пласт, например, с нефтью, т.е. не способствуют увеличению выхода нефти в скважины при их применении.

Наиболее близкими к заявляемому акустическому генератору низкой частоты являются устройства, выполненные в виде скважин, применяемые для закачки воды с добавкой поверхностно-активных веществ /ПАВ/ в пласт с нефтью, что позволяет повысить нефтеотдачу пластов на 10-30%.

Выбранное в качестве аналога-прототипа устройство имеет высокую стоимость, причем расход энергоресурсов на собственные нужды нефтедобычи резко возрастает при увеличении обводненности продукции скважин.

Применение же добавок в виде ПАВ не обеспечивает реального повышения добычи нефти, так как на ее получение требуется израсходовать практически то же самое количество нефти, дополнительно добытое с ее использованием и на месторождениях с нефтью в недрах остается более 50% легких и до 85% вязких нефтей /см. Алексеев В.В. Экология и экономика энергетики. Знание, Физика, М., 1990 г., 6, с.25-27 /2/.

Целью изобретения является увеличение отбора нефти из пласта/ов/ и повышение как коэффициента нефтеотдачи, так и дебита скважин.

Поставленная цель достигается в изобретении за счет того, что генератор снабжен секциями, последовательно установленными друг за другом и скрепленными между собой, с равномерно расположенными в них по окружности камерами сгорания с каналами охлаждения, причем верхняя секция выполнена с крышкой со сферическими внутренними поверхностями под камеры сгорания и каналом охлаждения водой, а нижняя секция выполнена с камерами сгорания, переходящими в стволы, подсоединенные к суживающемуся соплу-концентратору ударных волн, камеры сгорания снабжены форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыскивания смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, и смежно расположенными к ним форсунками-детонаторами для впрыскивания струй электропроводной жидкости, при этом форсунки для впрыскивания смеси паров снабжены топливными форсунками и патрубками, внутри которых установлены шнеки, электродами, размещенными в цилиндрических каналах, выполненных из электроизоляционного материала, сообщающихся с соплами, направленными под углом друг к другу.

Кроме того, поставленная цель достигается в изобретении за счет того, что форсунки для впрыскивания смеси паров снабжены взрывными камерами, а также за счет размещения в впускных патрубках сжатого воздуха камер сгорания шнеков или электромагнитных тарельчатых клапанов и за счет направления суживающегося сопла нижней секции по оси ступенчатого стержня /концентратора/ с расположением от его торца с заданным зазором в слое воды емкости, причем форсунки-детонаторы с размещенными в них цилиндрическими каналами, выполненными из электроизоляционного материала, с одной стороны, содержат электроды, а с другой - сопла, направленные под углом друг к другу для впрыскивания струй электропроводной жидкости. Кроме того, акустический генератор дополнительно является источником парогазовой смеси с избыточным давлением, подключенным к газовой турбине электростанции с воздушным компрессором, редуктором и электрогенератором, и снабжен растяжками, прикрепленными к якорям, или дополнительными стойками, закрепленными в фундаменте.

Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта - увеличения отбора нефти из пластов/ов/ и повышения коэффициента нефтеотдачи и дебита скважин.

Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения - критерию изобретения -"изобретательский уровень".

Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели.

Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения - "промышленная применимость".

Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 показан продольный разрез по акустическому генератору,

на фиг. 2 приведен общий вид на акустический генератор с показом расчалок,

на фиг.3 изображен тот же акустический генератор с показом его крепления к стойкам на фундаменте,

на фиг. 4 показан продольный разрез по верхней секции акустического генератора,

на фиг.5 приведен поперечный разрез по А-А,

на фиг.6 показан продольный разрез по нижней секции акустического генератора,

на фиг.7 изображена форсунка в продольном разрезе,

на фиг.8 изображена форсунка-детонатор в продольном разрезе,

на фиг.9 показан в поперечном сечении узел,

на фиг. 10 приведен план /вид сверху/ на залежь с размещенными на ней скважинами и акустическими генераторами,

на фиг.11 - то же, с осевым расположением акустических генераторов.

Предлагаемый акустический генератор состоит из отдельных секций 1, 2, 3, в которых размещены камеры сгорания 4 и суживающееся сопло 5 /см. фиг.1/.

Верхняя секция имеет крышку 6 со сферическими внутренними поверхностями 7. Крышка, секции и суживающееся сопло соединяются между собой с помощью фланцев 8, прокладок и болтов 9. Акустический генератор устанавливается и крепится на емкости 10, опираясь на него фланцем 11 /с креплением болтами/, которая в свою очередь размещена на фундаменте 12 и подготовке 13.

Внизу емкости 10 укрепляется твердый цилиндрический ступенчатый стержень /концентратор/ 14 в обойме 15.

Емкость заливается водой до заданного уровня 16 и имеет выпускной патрубок 17, подключенный с помощью парогазового трубопровода к впускному патрубку 18 парогазовой турбины 19, проводящий во вращение осевой компрессор 20 /или центробежный, поршневой/. Компрессор через редуктор 21 соединяется с электрогенератором 22, отработанная парогазовая смесь через выпускной патрубок 23 парогазовой турбины поступает в газоотделитель, совмещенный с конденсатором 24.

Компрессор 20 в свою очередь имеет впускной 25 и выпускной 26 патрубки, через один из которых поступает в него атмосферный воздух, а через другой выходит сжатый воздух, поступающий по трубопроводу 27 в впускные патрубки 28, 29, 30 секций 1, 2, 3 акустического генератора.

Патрубки подсоединены к кольцевым трубопроводам 31, 32, 33, из которых сжатый воздух распределяется по камерам сгорания 4, через соответствующие впускные патрубки 34, 35, 36, в каждом из которых установлены шнеки 37, служащие для отражения ударных волн. Вместо шнеков могут быть также установлены электромагнитные тарельчатые клапаны и др. Система охлаждения камер сгорания 4 секций 1, 2, 3 состоит из центробежного насоса 38, радиатора 39 и трубопроводов 40 и 41 /подающих и обратных/, обеспечивающих циркуляцию воды через систему охлаждения камер сгорания 4. Для заполнения резервуара 10 и непрерывной подачи в него воды служит насос 42.

Для компенсации реактивного усилия и вертикальной устойчивости акустического генератора служат растяжки 43 или стойки 44, закрепленные на фундаменте 45.

На фиг. 4, 5 показана в большом масштабе верхняя секция 1 акустического генератора, которая содержит камеры сгорания 4 и крышку 6, охлаждаемые водой по каналам 46 и 47.

В камерах сгорания последовательно друг за другом на заданном расстоянии установлены форсунки 48 и смежно расположенные к ним форсунки-детонаторы 49.

Средняя секция 2 в большом масштабе условно не показана, так как она такая же по конструкции, как и секция 1 без крышки 6.

В отличие от секций 1, 2 секция 3 /фиг.6/ содержит кроме камер сгорания 50, размещенных по окружности, стволы 51 и суживающееся сопло 5, которые все вместе охлаждаются водой по кольцевому каналу 52. На фиг.7 показана в увеличенном масштабе форсунка 48, содержащая металлический корпус 53 с размещенным внутри него цилиндрическим корпусом 54, выполненным из электроизоляционного материала /например, из оксида алюминия/.

В корпусе 54 выполнены цилиндрические каналы 55, 56, на одном конце которых имеются сопла 57, 58, направленные под углом друг к другу, а с другой стороны установлены электроды 59, 60, которые подключены к генератору электрических импульсов /ГИ/.

Корпусы 53, 54 снабжены входными патрубками 61, 62 с размещенными в них шнеками 63 /служащими для отражения ударных волн/.

Корпус 53 содержит также взрывную камеру 64 и фланец 65 для крепления форсунок на камерах сгорания.

Между каналами 55, 56 установлена топливная форсунка 66.

Генератор электрических импульсов, в упрощенной схеме, состоит из источника постоянного тока 67, конденсатора 68 и разрядника 69. ГИ могут также быть машинными и магнитонасыщенными с магнитным усилителем, на электронных и полупроводниковых усилительных и переключающих приборах, /см. Артамонов Б.А. Размерная электрическая обработка металлов. М., Высшая школа, 1978 г., с. 50-66 /3/. На фиг.8 показана форсунка-детонатор с генератором электрических импульсов /ГИ/.

Она состоит из металлического корпуса 70 с размещенным внутри него цилиндрическим корпусом 71, выполненным из электроизоляционного материала, в котором расположены цилиндрические каналы 72, 73.

Каналы 72, 73 на одном конце имеют сопла, направленные под углом друг к другу - 74, 75, а на другом - электроды 76, 77.

Входные патрубки 78 с установленными в них шнеками 79, фланец 80 для крепления форсунок-детонаторов на камерах-сгорания. Генератор электрических импульсов также состоит из источника постоянного тока 81, конденсатора 82 и разрядника 83.

На фиг.9 показана часть емкости 10 /узел/ с залитой в него до уровня 16 жидкостью /водой/, которая поступает в него через патрубок 84, обойма 15 закреплена к емкости с помощью двухстороннего сварного шва 85.

Ступенчатый стержень /концентратор/ 14 содержит вторую ступень 86 меньшего сечения.

Работает акустический генератор следующим образом.

- Форсунка поз.48.

Принцип ее действия основан не на впрыскивании струй топлива, а на "впрыскивании" в камеры сгорания 4, 59 смеси паров углеводородного топлива и паров концентрированных водных растворов сильных электролитов с заданной концентрацией.

При этом температура смеси поддерживается на уровне Т=10⁴-1,510 К, что обеспечивает диссоциацию и ионизацию любого по вязкости жидкого углеводородного топлива и раствора электролита, качественное смешивание паров с зарядом воздуха в камерах сгорания, низкое значение коэффициента избытка воздуха /приближающегося к теоретическому значению/ и огромную скорость химической реакции в камерах 4,50/см. Хачиян А.С. Двигатели внутреннего сгорания. М. , Высшая школа, 1978 г., с.68 /4/, сравнимой с детонацией. Иными словами, достигается высокий термический к.п.д. рабочего цикла с высокой температурой сгорания, причем, как известно, при детонационном сгорании топлива тепловыделение увеличивается на 10-12% /см. Зверев А.И. Детонационное напыление в судостроении. Л., 1978 г., с.12-24 /5/.

Кроме того, обеспечивается работа акустического генератора не на привозном, а на местном топливе - нефти самого месторождения, где работает в данное время ОН, что резко снижает стоимость его эксплуатации.

Еще одним важнейшим условием для снижения энергозатрат на собственные нужды нефтедобычи является использование в рабочем процессе продуктов диссоциации водного раствора сильного электролита, который при Т=2500^oС уже разлагается на водород и кислород, а также продуты самого электролита. Общая теплотворная способность водного раствора электролита в среднем равна Q=3800 ккал/кг и растет с повышением концентрации раствора /см. Курс Химии/, а также брошюру (Мучник Г. Новые методы преобразования энергии. Знание, Техника, М., 1984 г., 4, с.47-48 /6/).

Участие в рабочем процессе продуктов разложения раствора электролита позволяет снизить расход первоисточника - нефти - примерно на 30-40% и более, в зависимости от КПД, достигаемого на валу газовой турбины 19. Эта закономерность снижения расхода углеводородного топлива является следствием того, что процесс диссоциации раствора электролита происходит во взрывной камере самой форсунки 48, т.е. в нее при электрическом разряде через струи электролита 87 вносится электрическая энергия, также равная /или несколько больше из-за потерь в ГИ/ в количестве 3800 ккал/кг.

В итоге в камере сгорания участвуют в рабочем процессе два вида энергии: химическая водорода и кислорода электролита и электрическая Q"=3800+3800= 7600 ккал/кг. С учетом КПД газовой турбины и того, что на термическое разложение воды требуется 3800 ккал/кг, плюс 5-7% потерь в ГИ и подводящих шинопроводах, остаточная энергия от 7600 ккал/кг /после вычета из нее всех потерь/ оказывается весомым прибавком к энергетике акустического генератора, способствуя уменьшению расхода углеводородного топлива.

Рассмотрев принцип действия форсунки, переходим к ее работе, которая заключается в том, что от насосов /не показанных на чертеже/ в форсунку 66 /см. фиг. 7/ поступает жидкое углеводородное топливо, а через патрубки 61, 62, обтекая шнеки 63, в камеры 55, 56 нагнетается водный раствор сильного электролита, который в виде струй 87 вытекает под давлением во взрывную камеру 64 под углом друг к другу, и в зоне 88 происходит их контакт между собой.

Одновременно во взрывную камеру 64 впрыскиваются струи 89 жидкого топлива.

При контакте струй 87 электролита включается разрядник 69 ГИ и разрядный ток от конденсатора 68 протекает по электродам 59, 60, водному раствору электролита, заполняющего камеры 55, 56, струи 87, сформированные в соплах 57, 58, зону контакта 88, обеспечивая нагрев, испарение струй 87 и перегрев паров струй до T=10⁴-1,510⁴K, которые и обеспечивают мгновенное испарение и перегрев струй 89 углеводородного топлива, до высокой температуры. Пары электролита и топлива смешиваются между собой во взрывной камере 64 и выходят из нее с большой скоростью в камеру сгорания, точнее в ту ее зону, где происходит перемешивание их с зарядом воздуха /см. Артамонов Б.А. и др. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов, т. 2, М., Высшая школа, 1983 г., с.100-103 /7//.

Для упрощения схемы генератора электрических импульсов /ГИ/ взрыв струй электролита, находящихся под напряжением от ГИ, осуществляется при их контакте в зоне 88 /за счет короткого замыкания/. Электрический взрыв струй электролита разрушает зону их контакта 88, которая вновь образуется за счет давления насоса /не показанного на чертеже/. В этом случае разрядник 69 не устанавливается, а частота электрического взрыва струй электролита становится пропорциональна давлению, развиваемому насосом и длине струй 87.

- Форсунка-детонатор поз.49

Принцип ее действия подобен принципу действия форсунки 48. Однако ее конструкция отличается тем, что отсутствуют топливная форсунка и взрывная камера.

Через нее подается в камеру сгорания только концентрированный водный раствор сильного электролита, который от насоса /не показанного на чертеже/ через патрубки 78, обтекая шнеки 79, проходит в цилиндрические камеры 72, 73, сопла 74, 75, направленные под углом друг к другу, и в виде струй 90, 91 создается контакт струй между собой в точке 92. Причем зона контакта струй вынесена в камеру сгорания.

Электрический взрыв струй также обеспечивается от генератора электрических импульсов /ГИ/, 81 - источника постоянного тока, 82 - накопительного конденсатора и разрядника 83, который и в этой схеме может не устанавливаться, а электрический взрыв струй осуществляется при их коротком замыкании в зоне контакта 92.

В результате электрического взрыва струй 90, 91 водный раствор мгновенно нагревается, испаряется и перегревается до Т10⁴-1,510⁴ К. Как известно, вода при испарении увеличивается в объеме в 1800 раз, а существующие взрывчатые вещества /ВВ/ примерно в 900 раз, за счет чего и высокой температуры электрического взрыва в заданной зоне камеры сгорания создается мощная ударная волна. Расчеты показывают, что при скорости ударной волны около 1700 м/с температура горючей /рабочей смеси/ смеси достигает примерно 1700 К /см. Бартенев С.С. и др. Детонационные покрытия в машиностроении. Л., Машиностроение, 1982 г., с.25-26 /8/. Такая температура значительно превосходит температуру воспламенения взрывчатых газовых смесей, и в зоне камеры сгорания происходит детонация горючей смеси. Скорость детонационной волны зависит не только от химического состава горючей смеси, но и от ее температуры и давления в камерах сгорания и может превышать 2000-3500 м/с /см. 8, с.26/.

Работа акустического генератора в целом основана на эффекте, известном, например, из радиационной акустики - "если сканировать мишень лучом не просто точка за точкой, а с определенной скоростью - с той, с какой бежит по мишени звуковой импульс, все время догоняя его и подпитывая новой энергией, - можно усилить и импульс до такой величины, что вещество, хотя бы теоретически, не выдержит и разрушится. Настолько велико будет давление" /см. Чаховский В. Хранить теплоту. Знание, Техника, М., 1990 г., 4, с.53-57 /9/.

В акустическом генераторе форсунки 48 и противоположно им установленные форсунки-детонаторы 49 размещены последовательно друг за другом на заданном расстоянии, и работает он следующим образом.

От пускового двигателя /не показанного на чертеже/ приводится во вращение турбина 19 и компрессор 20 с нагнетанием сжатого воздуха небольшого давления по трубопроводам 27, 97 в камеры сгорания 4, 50. Одновременно подается электрический ток на электродвигатели насосов для подачи углеводородного жидкого топлива, раствора электролита /не показанных на чертеже/, насосов 38 и 42, генераторы электрических импульсов.

С помощью распределительных устройств /не показанных на чертеже/ сначала вступают в работу форсунки 48 и форсунки-детонаторы 49, расположенные во всех камерах сгорания в первом ряду от суживающегося сопла 5 секции 3. Выше описана работа форсунок 48 и форсунок-детонаторов 49, что позволяет упростить описание работы акустического генератора /АГ/.

При впрыске в первую зону от суживающегося сопла 5, перегретых паров углеводородного топлива и паров раствора электролита, смешения их с воздухом в камерах сгорания и поджигания горючей смеси с помощью электрического взрыва струй 90, 91 форсунок-детонаторов происходит детонационный взрыв горючей смеси только в этой первой зоне камер сгорания 50.

При взрыве формируется детонационная волна, которая является комбинацией ударной волны и зоны химической реакции.

Перед ударной волной находится невозмущенная среда - воздух с температурой Т₁. За фронтом ударной волны температура становится выше - Т₂, а воздух несколько сжат.

Вместе с тем более слабые ударные волны могут достигать сферических внутренних поверхностей 7"АГ" и, отражаясь от них, усилить основную ударную волну благодаря более высокой скорости /за счет более высокой температуры газовой среды /воздуха/, см. 8, с.25.

После формирования детонационной волны в первой зоне камер сгорания 50 начинается последовательное впрыскивание смеси паров форсунками 48 второго ряда, второй зоны от суживающегося сопла 5, впрыскивание струй 90, 91 форсунками-детонаторами, их электрический взрыв и детонационный взрыв горючей смеси во второй зоне камер сгорания 50 с образованием детонационной волны. Ударные волны второй зоны, распространяясь в более нагретой среде, догоняют первую ударную волну и подпитывают ее своей энергией, одновременно усиливая ее, чему способствует также отраженная волна от сферических поверхностей 7, генерируемая за счет детонационного взрыва во второй зоне камер 50. Этот процесс последовательных детонационных взрывов горючей смеси с образованием детонационных и ударных волн, осуществляемый заданной скоростью, распространяется по всей длине секций акустического генератора, т.е. от 3-го ко второму, от 2-го к первому.

Причем в стволах 51 акустического генератора происходит усиление волн, и из суживающегося сопла 5 выходит многократно усиленная ударная волна, которая обладает наиболее высокой интенсивностью по сравнению с первой.

Суживающееся сопло 5"АГ" позволяет еще больше увеличить интенсивность ударных волн в "К" раз за счет уменьшения площади сечения /является еще и концентратором волн/, /см. Арматонов Б.А. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. М., Высшая школа, 1983 г., т.1, с.224 и с. 174-241 /10/. С завершением процесса в детонационных взрывах 1-й секции акустического генератора заканчивается и первый рабочий цикл "АГ", взрывы в котором происходят снизу вверх с большой скоростью один за другим.

Следующие же "рабочие циклы" возобновляются с той частотой, которая задана для обработки залежи нефти на проектной глубине. Эта частота зависит от толщины пласта с нефтью /например, пластовый резервуар имеет большую площадь, а толщину только от долей до десятков метров/, см. Элияшевский И.В. Технология добычи нефти и газа. М., Недра, 1985 г., с. 14-15 /11/.

В основном же частота рабочих циклов может изменяться от долей герц до нескольких десятков и сотен герц. Следует учитывать, что низкочастотные упругие механические колебания /инфразвукового диапазона могут проникать на большие глубины, почти без потерь энергии, см. Новогрудский Н.И. Инфразвук: враг или друг. М., Машиностроение, 1978 г., с.4-85 /12/.

Важным вопросом является ввод акустической энергии в недра земли с наименьшими потерями. Это осуществляется с помощью промежуточной среды, которой является вода, залитая в резервуар 10 до уровня 16. Выше этого уровня воды установлен экран 94 с отверстиями 95. Срез сопла 5 акустического генератора установлен на заданном расстоянии от ступенчатого стержня 14, 86, заглубленного в землю /ударным или вибрационным способом/ для получения плотного контакта с горной породой. Мощная ударная волна, многократно усиленная в "АГ", практически без потерь проходит через слой воды /потери минимальны за счет высокой плотности воды/ и поступает на ступенчатый стержень 14, 86 /концентратор упругих колебаний, см. 10, с. 224-245/ и в виде узкого пучка упругих механических колебаний с заданной частотой распространяется через отдельные слои горных пород, достигая и пронизывая продуктивный пласт с нефтью, причем за счет высокой пористости таких пород с нефтью /пески, песчаники, алевриты, известняки, мел, доломиты, некоторые глинистые породы/, достигающей до 40% /см. 11, с.13/, происходит поглощение низкочастотных колебаний с переходом ее во внутреннюю энергию вещества.

Например, пористый песчаник и песок могут иметь одинаковую пористость и идентичный минеральный состав, но скорости упругих волн в песчанике будут больше за счет большей жесткости скелета /см. 1, с.83/.

При воздействии акустических волн на пористую породу с залежью нефти, а также учитывая, что "движение нефти в пласте возможно лишь по сообщающимся между собой поровым каналам размером > 0,0002 мм /см. 11, с.13/, возможны пять видов эффективного воздействия на нефть, способствующих увеличению отбора нефти из пласта и повышению коэффициента нефтеотдачи и дебита скважин.

1. Проникающие сквозь толщу пласта низкочастотные упругие волны непрерывно поглощаются и при интенсивности инфразвуковых волн I>9,3 Вт/см² в поровых каналах, заполненных жидкостью /нефтью/, образуются области с развитой кавитацией, причем с развитием кавитации происходит увеличение коэффициента поглощения "a". Активное сопротивление среды становится больше его волнового сопротивления.

Надо учитывать также, что на образование кавитационных областей с меньшей волновой энергией большую роль оказывают мельчайшие пузырьки газа в жидкости и несмачиваемые твердые частицы, /см. 10, с.185-186/.

Таким образом "энергия звукового поля, идущая на образование кавитационной области, равномерно расходуется в течение всей фазы расширения кавитационной области. Запасенная энергия отдается также в течение всего времени захлопывания и в начале фазы расширения сжатой полости, с отдачей большей части энергии в окружающую жидкость".

Высокие давления, возникающие при схлопывании кавитационных пузырьков, воздействуют на стенки пороговых каналов, расширяя их с достижением выхода большей массы нефти в скважины. Этому же способствует нагрев нефти за счет более высокого коэффициента поглощения кавитирующей жидкости с выделением из нефти растворенных в ней газов, выдавливающих ее в скважины.

2. Появление акустических течений, возникающих при распространении инфразвуковых волн в поглощающей среде, а также вблизи препятствий и колеблющихся тел, которые, как известно, могут быть трех типов: - течения в вязком пограничном слое, течения вне пограничного слоя и в свободном поле. В реальных условиях возможно одновременное существование различных типов акустических потоков" /см. 10, с.186/.

В итоге также интенсифицируется отбор нефти из скважин с одновременным повышением дебита.

3. В пластовых условиях важным свойством нефти является давление насыщения нефти газом. Это наименьшее давление, когда нефть полностью насыщается газом, или давление, при незначительном снижении которого из смеси появляются пузырьки газа /см. 11, с.115/.

Учитывая волновую природу инфразвуковых механических упругих колебаний, распространяющихся в продуктивном пласте, в нем при прохождении волн возникают знакопеременные давления /сжатия-разрежения/, что и способствует появлению пузырьков нефтяного газа и вытеснению нефти по поровым каналам в скважины.

4. Явление резонанса может возникнуть в нефтерасположенной в поровых каналах продуктивного пласта/ов/ при приближении возмущающей силы, генерируемой инфразвуковыми волнами, к частоте, называемой резонансной. При этом возникает резкое возрастание амплитуды колебаний, которые создают импульс сил, способствующих прорыву нефти из поровых каналов в скважины.

В пористой среде продуктивного слоя с нефтью происходит наибольшее поглощение звуковой энергии /пористость достигает 40%/, причем коэффициент поглощения "a" зависит от свойств среды и частоты волны. Частотная зависимость имеет степенной характер: a_n~wⁿ, где 1n2 (см. Справочник по физике). За счет поглощения звуковой энергии пласт с нефтью нагревается в зоне действия звукового луча, что приводит к выделению пузырьков газа из нефти и ее вытеснению через поровые каналы в скважины.

Акустические генераторы могут располагаться на залежи с нефтью, как это показано на фиг.10, 11 - с осевым или многорядным расположением - 95, нефтяные скважины 96, а также могут строиться передвижного типа, передвигаясь на рельсах вдоль или поперек залежи, а также на пневмоходу. В этом случае заранее вдоль намечаемых трасс устраиваются опорные устройства под акустический генератор, включающие фундамент 12, резервуар 10, ступенчатый стержень 14, 86.

В реальных условиях возможно одновременное существование различных видов воздействий на нефть в залежи с последовательным повышенным отбором нефти в скважины, от одной зоны действия луча акустического генератора к другой.

Энергетика акустического генератора

Выше показан принцип действия форсунки 48 с одновременным пояснением процессов, происходящих при ее работе, в камерах сгорания "АГ". Указано на высокий термический КПД акустического генератора, использование в его работе энергии водного раствора сильного электролита, а также на использование нефти самого месторождения.

Можно ориентировочно предположить, что КПД воздействия инфразвуковых волн на продуктивный пласт с нефтью не превысит 15-20%, и в этом процессе существенное значение приобретает уровень энергетики, т. е. КПД всей "добывающей" нефть установки, т. е. самого "АГ" и вспомогательных машин и механизмов, позволяющих резко повысить ее экономичность в целом /см. 7, с. 98-102/.

В этих целях акустический генератор снабжен газотурбинной установкой 19 /точнее парогазотурбинной/, приводящей во вращение компрессор, редуктор и электрогенератор за счет энергии отработанных газов из АГ и энергии пара, генерируемого отработанными газами из АГ в емкости 10 /являющегося одновременно паровым котлом и имеющим экран 93 с отверстиями 94 для выхода пара и газа и поступления его по патрубку 17 в патрубок 18 парогазовой турбины 19/.

По существу мы имеет парогазотурбинную электростанцию с новым принципом утилизации отработанных газов из акустического генератора. Использование парогазовой смеси с высокой температурой и давлением позволяет не только повысить КПД самого акустического генератора за счет подачи в него сжатого воздуха из компрессора 20, но и существенно снизить расход энергоносителя, какими в данной конструкции являются нефть самого месторождения и водный раствор сильного электролита, большая часть которого состоит из обычной воды, широко распространенной в природе и имеющейся практически повсюду. Еще одним достоинством АГ является осуществление в нем детонационного способа сгорания любого углеводородного топлива /для справки - бензин как наиболее сильное детонирующее вещество является составной частью нефти, диссоциирующей на ионы и атомы всех входящих в ее состав элементов при температуре электрического взрыва струй электролита - T=10⁴-1,510⁴ К.

В результате эффективный КПД "добывающей" нефть установки превысит 60-70%, а стоимость ее эксплуатации в связи с низкой стоимостью энергоносителя - нефти самого месторождения и водного раствора сильного электролита - становится неизмеримо меньше, чем у существующих установок по добыче нефти.

Отметим также и более низкую стоимость парогазотурбинной установки 19 за счет более низкой стоимости конструкционных материалов, так как через нее проходит смесь пара с отработанными продуктами сгорания при меньшей температуре, чем это имеет место в существующих ГТУ, а газоотделитель, совмещенный с конденсатором 24 низкого давления /р=0,04 кг/см²/, позволяет еще более увеличить КПД.

Физика процесса

1. Форсунки 48 и форсунки-детонаторы 49.

Механизм образования плазмы в струях водных растворов сильных электролитов /поз. 87, 90, 91/ в общем такой же, как и при электрическом разряде в растворе электролита при электроэрозионно-химической обработке материалов /см.3, с.329-333/. Особенности процесса разряда вызваны свойствами самой рабочей среды - струй из раствора электролита, в которых напряжение /при использовании питания от выпрямителя переменного тока, магнитонасыщенных ГИ или машинного генератора/ в начале импульса растет довольно медленно, и перенос зарядов на первой стадии осуществляется ионами, а при пробое и образовании плазменного шнура на месте струй электронами.

"В развитии пробоя при медленно нарастающем напряжении основную роль играют газовые пузырьки. Пока напряжение "И" не достигло величины U_пр. на катоде /поз. 88, 92/, выделяется водород. Кроме того, пузырьки газа могут образовываться и в самих струях благодаря нагреванию их джоулевой теплотой, когда растворимость газов в воде снижается.

Благодаря высокому газонаполнению электропроводность слоя раствора у катода уменьшается и на этот слой жидкости струй падает основная доля рабочего напряжения "И".

Здесь существует наибольшая напряженность электрического поля и начинается нагревание струй, возникает пробой газовых пузырьков, происходит ионизация элементов и образование свободных электронов, завершающихся образованием плазмы".

Горячая плазма и более холодный раствор в струях отделяются друг от друга слоем электропроводного пара, прогреваемым со стороны плазмы и собственной джоулевой теплотой, постепенно продвигается по длине струй, пока не достигнет противоположных электродов - сопел 57, 58, 74, 75.

После этого струи на всю длину перекрываются плазменным каналом разряда. Разряд происходит в сильно нагретом водяном паре, содержащем ионы, электроны, а также атомы водорода и кислорода - продукты электротермической /термической/ диссоциации раствора электролита.

Электрический разряд и взрыв струй подобен также электрическому взрыву твердых проводников, в которых благодаря взаимодействию тока и магнитного поля на струи в радиальном направлении действуют сжимающие силы /пинч-эффект/, приводящие к сильному сжатию плазмы, образовавшейся на месте струй.

В результате в процессе дальнейшего выделения энергии разрядного тока в плазме резко повышается температура, которая может достигать значения порядка 10 млн К/см. Милантьев В.П. Физика плазмы. М., Просвещение, 1983 г., с.84-86 /13/.

Однако для работы форсунок 48 и форсунок-детонаторов 49 температура взрыва струй электролита необходима лишь на уровне Т=10⁴-1,510⁴К с устройством охлаждения из/через стенки рубашки охлаждения камер сгорания 4, 50 проточной водой.

Концентрация растворов электролитов на основе кислот может достигать 3-5% /например, для азотной, соляной и серной кислот/ или более в зависимости от конкретных условий работы АГ, оснований и солей от 10-25 и выше /что, например, широко применяется при электрохимической обработке металлов/.

В некоторых случаях в качестве электропроводных жидкостей могут служить жидкие металлы /натрий, калий или их смеси замерзающие при Т=-12,5^oС и множество других металлов и их сплавов /см. Козлов В.Б. Жидкие металлы в технической физики. Знание, Физика, 4/ 1974 г., М., с.10-19/14/.

В технико-экономической части следует отметить следующее:

применение в качестве материала камер сгорания 4, 50 акустического генератора низколегированных сталей /в связи с охлаждением стенок проточной водой/ снижает стоимость АГ, несмотря на то, что внутри камер сгорания поддерживается высокая температура продуктов сгорания за счет проведения в них детонационного сгорания энергоносителя,

применение энергоносителя - нефти разрабатываемого месторождения и водного раствора электролита - существенно снижает затраты энергии на собственные нужды нефтедобычи по сравнению с любыми известными методами;

отказ от бурения многочисленных и дорогих скважин при внеконтурном или внутриконтурном заводнении залежи, подача в них под высоким давлением воды в смеси с ПАВ на порядок, а то и более уменьшает затраты на добычу нефти,

дополнительное получение нефти также снижает стоимость энергозатрат и стоимость нефтедобычи,

возможность получения огромной акустической и тепловой мощности за счет увеличения количества секций акустического генератора при одновременном увеличении диаметра АГ,

возможность работы "нефтедобывающей установки с АГ" и в качестве электростанции для обслуживания комплекса машин, буровых установок и жилого поселка месторождения нефти, причем не только электроэнергией, но и горячей водой.