Проблемы машиностроения и надежности машин, 2019, № 2, стр. 106-112

Введение. В основе большого числа методов увеличения нефтеотдачи (вибрационных, волновых, гидравлических, импульсных и пр.) лежит создание значительного избыточного давления на пласт в призабойной зоне скважины. При гидроразрыве пласта, в зависимости от условий, создается давление более 30 МПа. При этом стремятся создать как можно большее давление для максимального раскрытия вновь создаваемых трещин.

Импульсные методы воздействия (гидроимпульсные, ударно-волновые [1–3], акустические и пр.) основываются на создании кратковременных импульсов давления, поэтому амплитуда создаваемого избыточного давления в импульсе имеет существенное значение. В настоящей статье рассматривается импульсное давление, создаваемое при использовании технологии плазменно-импульсного воздействия (ПИВ).

Одним из основных факторов, влияющих на очистку призабойной зоны скважины и образование вторичной трещиноватости в нефтенасыщенном пласте при плазменно-импульсном воздействии (ПИВ) является генерация периодических кратковременных импульсов высокого давления. В результате происходит декольматация призабойной зоны скважины, очистка трещин и каналов от солей, твердых частиц, ароматических углеводородов, за счет развития аномальной сети микротрещин улучшается проницаемость контура питания скважины, в работу включаются ранее не промытые пропластки и целики нефти. Одновременно снимается поверхностное натяжение жидкости в порах, капиллярах и микрокапиллярах, в результате чего нефть замещает воду и получает дополнительные возможности для фильтрации к скважине, а за счет возникновения резонансного эффекта происходит перераспределение двухфазной жидкости (нефть/газ–вода) по вертикали [4, 5].

В ряде предыдущих работ приводятся теоретические расчеты и оценки давления, создаваемого генератором ПИВ при электрическом разряде, проходящем через проводник и вызывающем его взрыв. В работе [6] приводится расчет создаваемого при взрыве проводника избыточного давления более 40 ГПа. Величина избыточного давления стремительно уменьшается по мере удаления от эпицентра взрыва, и, по приводимой там же оценке, может составлять на расстоянии 75 мм величину порядка 230–260 атмосфер (округленно 23–26 МПа). Основными проблемами, не позволявшими ранее экспериментально подтвердить эти оценки были чрезвычайно короткая (менее 50 микросекунд) длительность процесса и высокое значение мгновенно нарастающего фронта давления. Все это требовало тщательной подготовки измерительных средств и планирования эксперимента для достижения достоверного результата.

Методика проведения эксперимента и анализ результатов. На предварительном этапе, имеющем в качестве основной цели оценку технических решений по экспериментальным исследованиям и измерениям импульсов давления в жидкости, производимым ПИВ в лабораторных условиях, было решено провести замеры импульсов давления в емкости с водой.

Датчик давления был закреплен с помощью хомута к кожуху податчика генератора ПИВ таким образом, что расстояние от центра взрываемой проволоки до плоскости торцевой поверхности датчика в первой части эксперимента составляло 50 мм. Прибор с закрепленным датчиком был погружен в емкость с водой, при этом датчик располагался на глубине приблизительно 500 мм. Вторую часть эксперимента проводили при установке датчика на расстоянии 300 мм от центра взрываемой проволоки (рис. 1).

Рис. 1.

Плазменно-импульсный генератор Plasma Streamer 102 и установка датчика давления при подготовке предварительного эксперимента: (а) и (б) – расстояние от очага взрыва 50 мм; (в) – 300 мм.

В общем случае величины отмеченного импульсного давления находились в пределах 100–300 бар, что в целом согласуется с теоретическими расчетами. При этом по мере удаления плоскости датчика от центра взрываемой проволоки значения импульсного избыточного давления, создаваемого взрывом проволоки, существенно снижались (в среднем в 2–2.5 раза).

В ходе предварительного эксперимента было подтверждено, что, несмотря на значительную амплитуду давления в момент взрыва проволоки в процессе ПИВ, в емкости с водой, имеющей диметр значительно больший, чем наружный диаметр генератора ПИВ, существенного выплеска воды вверх, а также образования султана не происходило. Это опровергает утверждения некоторых исследователей, утверждающих о неизбежности данных процессов. По-видимому, это объясняется кратковременностью импульса давления и конструкцией излучателя ПИВ, обеспечивающими преимущественное распространение импульса давления в плоскости, перпендикулярной излучателю (в данном случае – горизонтальной).

Выявленные при предварительном эксперименте недостатки и особенности были проанализированы и учтены при подготовке дальнейших экспериментальных работ. Новая серия экспериментов по замеру импульсного давления, возникающего при взрыве проволоки в генераторе ПИВ проводилась сотрудниками компании “Новас” совместно со специалистами Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН) под руководством академика Р.Ф. Ганиева в лабораторно-испытательном центре института.

Исследования проводили последовательно на трех различных по своим реологическим свойствам образцах нефти. Образец № 1 представлял собой высоковязкую нефть с динамической вязкостью 367.5–370 мПа ⋅ с, замеренной при 20°С. Нефть была предварительно дегидрирована. Образец № 2 – вязкая нефть с динамической вязкостью при 20°С: 270–280 мПа ⋅ с. Образец № 2 не подвергался никакой предварительной подготовке и имел достаточно высокое содержание водной фракции. Образец № 3 – предварительно обезвоженная сверхвысоковязкая нефть. Замеренное при 20°С значение ее вязкости составляло 2465–2490 мПа ⋅ с. Целью экспериментов были оценка интенсивности пульсаций давления в обрабатываемой среде и оценка влияния плазменно-импульсного воздействия на реологические характеристики образцов нефти (эта часть эксперимента не рассматривается в настоящей статье). При проведении эксперимента использовали следующее оборудование: плазменно-импульсный генератор Plasma Streamer 102; датчик динамического давления PS-02. Чувствительность датчика – 70 пКл/МПа; усилитель заряда AQ07; осциллограф Gwinstek GDS-71054B. Схематичное изображение примененного для исследований испытательного стенда изображено на рис. 2.

Рис. 2.

Схема испытательного стенда.

Плазменно-импульсное воздействие на испытуемую нефть осуществляли при помощи плазменно-импульсного генератора “Plasma Streamer 102”. Обработку проводили в цилиндрической пластиковой емкости диаметром 300 мм, расположенной вертикально и заполненной нефтью до уровня приблизительно на 100 мм ниже верхнего уровня. Плазменно-импульсный генератор был подвешен вертикально над емкостью таким образом, что нижняя часть его погружалась в обрабатываемую нефть на глубину 80–120 мм над центром излучателя.

Плазменно-импульсное воздействие в генераторе осуществляется путем подачи рабочего напряжения предварительно заряженных конденсаторов на замыкающую электроды металлическую проволоку, за счет чего происходит взрыв проволоки в жидкости. Диаметр проволоки 0.45 мм. Материал проволоки – константан. Емкость батареи конденсаторов 250 мкФ. Напряжение заряженных конденсаторов в момент, предшествующий разряду 3000 В. Время разряда, определяемое характеристиками конденсаторов 55 мкс. Энергия разряда 1125 Дж.

Для измерения импульсного давления на уровне центра излучателя ПИВ (и взрываемой проволоки) был закреплен датчик динамического давления PS02 в герметичном корпусе. Датчик был размещен таким образом, что нормаль к его рабочей поверхности была направлена по радиусу к центру ПИВ. Расстояние между центром ПИВ и рабочей поверхностью датчика равно 65 мм. Сигнал датчика подавался на усилитель заряда AQ07-01, обеспечивающий преобразование высокоимпедансного сигнала заряда пьезоэлектрического преобразователя в низкоимпедансный сигнал напряжения.

При проведении эксперимента были установлены следующие настройки усилителя заряда: коэффициент нормирования К_н = 7; коэффициент усиления К_у = 50; коэффициент передачи К_п = К_у/К_н = 7.14.

При этих настройках, с учетом характеристик датчика, динамическому давлению жидкости на поверхности датчика 0,1 Мпа соответствует сигнал С = 0.1 × 70 × 7.14 = = 50 мВ. Выходной сигнал усилителя заряда в процессе плазменно-импульсного воздействия фиксировали при помощи осциллографа. Пример осциллограммы при единичном разряде приведен на рис. 3.

Рис. 3.

Пример осциллограммы разряда с указанием масштаба измеряемых величин: 1 – масштаб сигнала по напряжению; 2 – развертка по времени; 3 – смещение момента запуска в окне осциллограмм; 4 – уровень запуска.

Из рисунка видно, что одно деление шкалы по вертикали соответствует напряжению 2 В, или давлению 40 бар. Каждое деление шкалы по горизонтали соответствует по времени 20 микросекундам.

Динамическиая погрешность при измерении быстроменяющихся, переменных и импульсных значений определяется временными параметрами исследуемого процесса, динамическими характеристиками датчика давления, преобразователя сигнала (усилителя заряда), и осциллографа. Для используемого датчика согласно градуировочной кривой, погрешность измерения давления, приведенная к верхнему пределу в диапазоне измеряемых в ходе эксперимента величин, не превышает ±0.5%, что составляет ±12.5 бар. Основная погрешность усилителя заряда, согласно паспортным данным, не превышает 0,5% от предела настройки, что в настроенном диапазоне измеряемых давлений усилителя заряда (0–500 бар) составляет ±2.5 бар. Погрешность канала вертикального отклонения у примененного осциллографа – не более 3% от верхнего предела измерений (в эксперименте – 250 бар), что составляет ±7.5 атм. Таким образом, максимально возможная погрешность измерения давления в экспериментах не превышает ±22.5 бар, что для данного вида измерений является вполне приемлемым. Погрешность установки канала горизонтального отклонения у осциллографа не превышает ±0.005%. Собственная резонансная частота датчика ≥80 кГц, поэтому инерционные свойства датчика могут оказать влияние на результат только на скоростях нарастания переднего фронта сигнала, превышающих полученные приблизительно на порядок. Это делает результаты измерения временных параметров сигнала вполне достоверными с точностью осциллографа, т.е. ±0.01 мкс.

Каждый вид исследуемой нефти был подвергнут последовательно 100 импульсам ПИВ, интервал времени между двумя импульсами составлял приблизительно 30 секунд. На рис. 4 представлены характерные осциллограммы сигнала с датчика динамического давления при плазменно-импульсной обработке исследуемых образцов нефти.

Рис. 4.

Характерные осциллограммы импульсов давления в образце № 1 (сплошная темная линия), образце № 2 (пунктирная линия) и образце № 3 (сплошная светлая линия).

Пиковое значение давления в импульсе в момент разряда и взрыва проволоки составило порядка 180–200 атм. При этом не отмечено существенного разброса в значениях пикового давления в ходе всего эксперимента. Длительность основного (пикового) импульса давления составила в среднем от 10 до 20 микросекунд. При этом при проведении эксперимента на разных по реологическим характеристикам образцах нефти отмечается различная форма импульса давления. В большинстве экспериментов с менее вязкими образцами нефти проявляется второй пик давления, несколько меньший по амплитуде, но сравнимый с первым. В то же время, в более вязкой нефти длительность пульсации давления увеличивается и реже проявляется ярко выраженный второй пик давления. Формы осциллограмм, зарегистрированных в образце нефти № 2 имеют наибольшую вариацию. В значительной степени это связано с существенной концентрацией водной фазы в образце и с образованием в процессе воздействия водонефтяной эмульсии.