СВЧ. Исследование и разработка технологии увеличения нефтеотдачи за счет вытеснения с применением электромагнитного поля
 Скачать 4.49 Mb.
|
|
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФИЗИЧЕСКУЮ МОДЕЛЬ КЕРНА В предыдущей части были рассмотрены существующие методы электрического и электромагнитного воздействия на продуктивные пласты, а также их совместное применение с другими методами увеличения нефтеотдачи и интенсификации притока. Исходя из проанализированной информации, можно сделать вывод, что данное направление весьма перспективно и требует дополнительного изучения и проведения новых исследований. Основными преимуществами использования электрического воздействия являются, во-первых, комплексное изменение характеристик коллектора и насыщающих флюидов, во-вторых, электромагнитная обработка не оказывает прямого разрушающего действия на породу. 2.1 Описание лабораторной установки, генерирующей высокочастотное электромагнитное поле 2.1.1 Расчет параметров лабораторной установки Электромагнитные волны оказывают влияние на нефтесодержащий пласт для определения конкретных показателей необходимо проведение экспериментов, которые смогут выявить качественные и количественные зависимости повышение коэффициента вытеснения, коэффициента подвижности, снижение критического градиента давления начала фильтрации. Сданной целью была собрана лабораторная установка, состоящая из электротехнической и гидродинамической части. Установка позволяет проводить эксперименты по электромагнитному воздействию на физическую модель керна. В основе установки лежит резонансный трансформатор переменного электрического тока [52]. От обычных трансформаторов он отличается тем, что в конструкции отсутствует ферромагнитный сердечник. 44 Это позволяет многократно снижать взаимоиндукцию между двумя катушками. Установка состоит из первичной катушки, которая вместе с конденсатором, образует первичный колебательный контур, и вторичной катушки, имеющей на выходе напряжение в сотни тысяч вольт. Благодаря включенному в цепь элементу, так называемому, разряднику, замыкается колебательный контур, состоящий из первичной катушки и блока конденсаторов, тем самым, блок питания, состоящий из повышающих трансформаторов, становится отключенным от контура, в котором в это время происходят высокочастотные колебания. Система работает в импульсном режиме, состоящем из двух фаз. В первую очередь происходит заряд конденсатора (в данном случае батареи конденсаторов) до определенного напряжения, необходимого на пробой воздушного пространства между контактами разрядника, параллельно включенного в цепь. Заряд конденсатора осуществляется при помощи внешнего источника питания повышенного напряжения, собранного, в данной установке, из повышающих трансформаторов. После исключения из контура источника питания, в нем (первичном контуре) инициируются затухающие высокочастотные колебания. При подборе всех параметров эти колебания должны совпасть с колебаниями во вторичном контуре, образуемом вторичной катушкой (и ее собственной емкостью, в которой также начинаются электромагнитные колебания вследствие индукции напряжения. Когда контуры входят в резонанс, амплитуда во вторичной катушке многократно умножается, и трансформатор генерирует высокое напряжение на выходе. Данный процесс можно рассматривать в качестве второй фазы работы системы. Рассчитываем индуктивность катушки первичного колебательного контура [100] по формуле 45 , (2.1) где d i – диаметр катушки (см n – число витков l i – длина катушки (см мкГн как видно из формулы, изменяя количество подключаемых витков, можно менять индуктивность катушки. Необходимая емкость конденсатора первичного колебательного контура находится по формуле . (2.2) Для подсчета собственной емкости вторичной катушки воспользуемся формулой , (2.3) где d – диаметр катушки (см l – длина намотки (см. Расчетная резонансная частота колебаний , (2.4) где L – индуктивность катушки (мкГн, C – емкость катушки (пФ. Расчет установки производился согласно равенству , (2.5) где и – частоты первичного и вторичного колебательных контуров соответственно (кГц. Добиться высокого напряжения возможно только при максимально возможном совпадении резонансных частот первичной и вторичной катушек [78]. Для первичной катушки использована медная трубка диаметром 10 мм, полая внутри. Расстояние между витками 2,19 см, общая высота обмотки 26,5 см, диаметр – 13 см. По формуле 2.1 находим индуктивности катушек 46 Для расчета собственной емкости вторичной катушки воспользуемся формулой (2.3) Теперь можно рассчитать необходимую емкость батареи конденсаторов С для первичного колебательного контура по формуле (2.3) Расчет частоты катушки производим по формуле (2.4) Таблица 2.1 – Параметры колебательных контуров резонансного трансформатора. Параметр n, см d, см l, см L, мкГн C, пФ f, кГц 1 Контур 10 13 26 5.31 3987 1094 2 Контур 803 5 48 3208 6.60 2.1.2. Описание принципов работы электротехнической части установки Для создания данной установки были использованы следующие элементы Повышающие трансформаторы GAL-700E/4 – 4 шт. Особенностью данного трансформатора является сердечник, который работает в режиме, близком к насыщению (рис. 2.1). Напряжение входное – 220 В, напряжение на выходе – 2000 В, мощность 2200 Вт, рабочая частота 50 Гц, сила тока 850 47 мА. Габаритные размеры 105х67х88 мм. Трансформаторы служат основным источником повышенного напряжения, без которого невозможно добиться высоких показателей работы всей системы. При последовательном, синфазном подключении вторичных обмоток, напряжение находится как сумма напряжений каждой обмотки ; (2.6) Таким образом, вторичные обмотки, подключенные последовательно, позволяют генерировать напряжение в 8000 В. Мощность определяется таким же образом ; (2.7) Отсюда, мощность равняется 8800 Вт. Для того чтобы избежать перегрева трансформаторов и исключить электрические пробои между обмотками, они были помещены в пластиковый контейнер, заполненный моторным маслом. Рисунок 2.1 – Повышающий микроволновый трансформатор GAL- 700E/4 2. Высоковольтные конденсаторы (4 шт) марки H.V.CAPACITOR рисунок 2.2), модель CH-85\21095, номинальное напряжение 2100 В, емкость 0,95 мкФ. Размеры одного конденсатора 75х53х33 мм. Данные конденсаторы служат в роли балласта. Когда замыкается первичный колебательный контур (в момент пробоя на разряднике, конденсаторы, подключенные последовательно, ограничивают ток трансформаторов. 48 Рисунок 2.2 – Высоковольтный конденсатор H.V.Capacitor 3. Высоковольтные конденсаторы К, емкостью 10 000 пФ ± 5%, номинальное напряжение 10 кВ (рисунок 2.3), Сопротивление изоляции между выводами – 50 000 МОм. Габаритные размеры 65х45х54 мм, вес – 0,8 кг. В установке использована батарея из ух конденсаторов, соединенных последовательно на общую емкость – 5 000 пФ, напряжение – 20 кВ. Рисунок 2.3 – Высоковольтный конденсатор К 4. Фильтры высоких частот (рисунок 2.4). Представляют собой две катушки медного провода диаметром 0,75 мм, намотанного на трубу из полипропилена. Габаритные размеры каждой трубки длина 37 см, диаметр 5 см. Число витков – 300. 49 Рисунок 2.4 – Фильтры высоких частот Фильтры необходимы для ограничения попадания в сеть высокочастотных выбросов вовремя замыкания первичного колебательного контура. 5. Динамический разрядник (искровик, рисунок 2.5) состоит из металлической пластины круглой формы диаметром 90 мм, с 4-мя равноудаленными от центра и друг от друга болтами, вмонтированными перпендикулярно ее плоскости. Расстояние от центра до болта 80 мм. Пластина подключена к приводу системы охлаждения блока питания персонального компьютера (FSP Group ATX-400PNF, мощностью 400 Вт, рисунок 2.6). Размеры блока 140х144х80 мм. Блок питания включается в электрическую сеть отдельно от силовой части установки. Рисунок 2.5 – Динамический разрядник 50 Рисунок 2.6 – FSP Group ATX-400PNF 6. Первичная и вторичная катушки резонансного трансформатора рисунок 2.7). Первичная катушка диаметр – 13 см, высота – 26 см, количество витков – 10, полая медная трубка диаметром 10 мм. Вторичная катушка 803 витка медной проволоки (диаметр 0,6 мм, намотанной на трубку ПВХ длиной 48 см, диаметром 5 см. Витки плотно прижаты друг к другу и изолированы эпоксидной смолой, для исключения электрического пробоя. Путем переключения количества витков первичной катушки можно изменять ее индуктивность, и, следовательно, параметры электромагнитного воздействия. Рисунок 2.7 – Катушки резонансного трансформатора 51 7. Однофазный счетчик электрической энергии СО (рисунок 2.8). Служит для оценки количества потребляемой электроэнергии на обработку образца коллектора. Класс точности – 2.0, номинальное напряжение – 220 В, номинальная частота питающей сети – 50 Гц, номинальный ток – 10 А, максимальный ток – 40 А, ток перегрузки – 48 А, размеры 208х135х114 мм. Рисунок 2.8 – Счетчик СО 8. Модульные автоматические выключатели Sentai C-65 – 2 шт. Частота 50 – 60 Гц, максимальное напряжение 415 В, номинальный ток 25 А, отключающая способность 4,5 кА (рисунок 2.9). Рисунок 2.9 – Автоматический выключатель Sentai 9. Цифровой амперметр Digitop АМ-2 DIN (рисунок 2.10). Рабочая частота 50 – 60 Гц, диапазон измеряемой силы тока 0 – 50 А, максимальный ток перегрузки 80 А, питание 120 – 300 В. Позволяет регистрировать силу, потребляемого из электросети тока. 52 Рис. 2.10 – Цифровой амперметр Digitop АМ-2 DIN 10. Провода. В конструкции установки были использованы медные провода диаметром 2,5 мм. На рисунке 2.11 изображена схема собранной установки, а на рисунке 2.12 показан принцип ее работы. Цепь последовательно соединенных повышающих трансформаторов (2) используется для зарядки конденсаторов. Несмотря на малые размеры используемые трансформаторы имеют мощность до 1,5 кВт. Но к недостаткам относятся высокие показатели силы тока холостого хода (2 – 4 Аи сильный нагрев при работе. Для предотвращения перегрева, а также для устранения возможных пробоев между обмотками трансформаторов они помещены в пластиковую емкость и залиты техническим маслом. После них в цепь последовательно подключены высоковольтные конденсаторы (3), которые являются дросселем и мешают течь току от трансформаторов в период, когда замыкается первичный колебательный контур. 53 Рисунок 2.11 – Схема подключения элементов установки 1 – источник переменного тока, 2 – повышающий трансформатор GAL- 700E/4, 3 – высоковольтные конденсаторы, 4 – фильтры высоких частот, 5 – динамический разрядник, 6 – батарея конденсаторов колебательного контура, 7 – первичная катушка, 8 – вторичная катушка, 9 – выходы для подключения к объекту ЭМ воздействия. Рисунок 2.12 – Принцип работы установки. Красным выделен контур движения тока вовремя разряда на «искровике» Следом за ними в цепь подключены фильтры высоких частот (4), необходимые для ограничения попадания в общую электросеть высокочастотных токов при работе установки. Фильтры представляют собой две катушки диаметром 50 мм, по 300 витков медного провода сечением 0,25 мм. Параллельно в цепь подключается разрядник (5), который необходим для питания и инициации колебаний в первичном контуре. Когда замыкается первичный контур, начинаются колебания, а дроссель мешает течь току от трансформаторов, заряжаясь сам. Питанием первичного колебательного контура служит батарея из высоковольтных конденсаторов К, соединенных последовательно для получения необходимых напряжения и емкости (6). Батарея конденсаторов и катушка (7) создают первичный колебательный контур. Вступая в резонанс с первичной катушкой, вторичная которая находится внутри первичной) катушка (8) дает на выходе высокое 54 напряжение (до нескольких мегавольт), повышенной частоты (от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Электроды (9) создают искомое электромагнитное поле. Фото электротехнической части лабораторной установки на рисунке 2.13. Рисунок 2.13 – Фото собранной установки 1 – ванна с трансформаторами в моторном масле, 2 – счетчик электрической энергии, 3 – высоковольтные конденсаторы (балласт, 4 – фильтры высоких частот, 5 – динамический разрядник, 6 – блок питания разрядника, 7 – батарея высоковольтных конденсаторов первичного колебательного контура, 8 – первичная катушка, 9 – вторичная катушка. Для более детального понимания работы установки исследуются графики, отображающие процесс возникновения колебаний и переход энергии во вторичный колебательный контур. На рисунках 2.14 и 2.15 показаны графики напряжения в электрической сети и на батареи конденсаторов первичного колебательного контура. 55 Рисунок 2.14 – Колебания напряжения в электрической сети Рисунок 2.15 – Колебания напряжения на батарее конденсаторов Серым фоном выделены периоды, когда происходит разряд на искровом промежутке и замыкается первичный колебательный контур. На рисунке 2.16 ниже представлен график напряжения на первичной катушке. 56 Рисунок 2.16 – Напряжение на катушке первичного колебательного контура Более детально напряжение показано на графиках ниже (рисунок 2.17). Рисунок 2.17 – Напряжение на батарее конденсаторов и катушке первичного колебательного контура соответственно После начала колебаний в первичном контуре начинается передача электромагнитной энергии во вторичную катушку. Этот процесс отраженна следующем графике изменения напряжения (рисунок 2.18) 57 Рисунок 2.18 – Процесс наращивания напряжения на вторичной катушке. График сверху – напряжение на первичной катушке, график снизу – напряжение на вторичной катушке По графикам видно, что напряжение на вторичной катушке трансформатора достигает максимальных значений практически сразу же после начала колебаний в первичном контуре. Напряжение на выходе вторичной катушке возникает кратковременно, в период, когда пробивается искровой промежуток и замыкается первичный колебательный контур. В остальное время, когда энергия, запасенная в батарее конденсаторов, израсходована, напряжение во вторичном контуре отсутствует. Чтобы повысить эффективность работы установки, необходимо увеличить количество пробоев на разряднике. Для этого в установке используется динамический разрядник, который позволяет увеличить количество пробоев в секунду до 400 раз. Тогда график напряжения на вторичной катушке будет выглядеть следующим образом (рисунок 2.19). Рисунок 2.19 – График напряжения на вторичной катушке при количестве пробоев разрядника – 400 разв секунду По графику видно, что максимальное напряжение при этом не возрастает. Однако, вращающийся разрядник позволяет увеличить 58 количество моментов передачи энергии во вторичный контур. Это приводит к увеличению средней выходной мощности установки. 2.1.3 Описание гидродинамической части установки Гидродинамическая часть включает в себя емкость, нижняя часть которой представляет собой искусственную модель насыпного керна. Для создания модели использовался среднезернистый кварцевый песок. Пористость модели была рассчитана по формуле Слихтера [97] для фиктивных грунтов , (2.8) где – угол упаковки (60 0 ≤ ≤90 0 ). Угол упаковки составил 67 0 . Таким образом, пористость насыпного керна дед. Абсолютная проницаемость искусственного керна составила 0,5 Д. Верхняя часть емкости служит для добавления вытесняющего флюида и создания гидростатического напора. Для проведения исследований использовалось два варианта емкости пластиковая бутылка объемом 2000 см (рисунок 2.20); стеклянная колба объемом 523 см (рисунок 2.21). 59 Рисунок 2.20 – 1-ый вариант гидродинамической части установки Рисунок 2.21 – ой вариант гидродинамической части установки Емкость (1) подключена к электрической части установки при помощи электродов, представляющих в первом варианте – два стальных болта (3) диаметром 9 мм, длиной 15 мм, расположенных в насыпной части на расстоянии 110 мм друг от друга в вертикальной плоскости. Во втором варианте один электрод (2) погружен в насыпную часть колбы сверху, второй (3) представляет собой медную пластину (25 см, расположенную снаружи под колбой. Данный тип подключения позволяет обосновать эффект именно электромагнитного воздействия на насыщенный коллектор. Полная схема собранной лабораторной установки представлена на рисунке 2.22. Здесь гидродинамическая часть представлена стеклянной колбой, которая была описана выше. 60 Рисунок 2.22 – Схема лабораторной установки 1 – источник переменного тока (50 Гц, 220 В, 2 – счетчик электрической энергии, 3 – емкость с повышающими микроволновыми трансформаторами, погруженными в моторное масло, 4 – амперметр, 5 – высоковольтные конденсаторы Capacitor, 6 – катушки фильтров ВЧ, 7 – динамический разрядник, 8 – батарея конденсаторов К первичного контура, 9 – первичная катушка, 10 – вторичная катушка, 11 – электрод, погруженный в модель керна, 12 – медная пластинная, 13 – стеклянная колба, 14 – мерная колба. 2.2 Гидродинамические эксперименты по исследованию электромагнитного воздействия На описанной выше установке был проведен ряд экспериментов, направленных на обнаружение влияния электромагнитных волн на нефтесодержащий коллектор. Объектом экспериментов является искусственная модель песчаного насыпного керна. Для насыщения модели использовалась нефть пласта Ю 1 Вынгапуровского месторождения, плотностью 852 кг/м 3 , динамической вязкостью 2,8 мПа с, а также техническое масло водном из опытов. 61 В качестве насыпного вещества использовался кварцевый песок. Насыщенность модели флюидом во всех случаях составила 0,8 дед. Воздействие производилось продолжительностью 5 секунд и с интервалами отключения установки – 5 секунд. Общее время обработки модели – 10 минут. Входе экспериментов были сделаны замеры потребляемого электричества при помощи счетчика электроэнергии, а также силы потребляемого тока. Эти данные необходимы для оценки рентабельности применения технологии на промысле. Графически работа установки показана на рисунке 2.23, отражающем изменение силы тока во времени. Время импульса – 5 секунд, скважность – 2. Рисунок 2.23 – График силы тока воздействия на модель искусственного керна Колебания силы тока регистрировались при помощи цифрового амперметра, включенного в схему последовательно элементам установки, после повышающих трансформаторов. Изменения показаний амперметра фиксировались цифровой видеокамерой. В дальнейшем это позволило точнее представить картину работы лабораторной установки. Проведенные эксперименты по исследованию и оценке эффективности применения электромагнитного воздействия для повышения нефтеотдачи коллекторов можно разделить на 3 группы A. Эксперименты, направленные на нахождение критического градиента давления, при котором начинается фильтрация нефти. 62 B. Эксперименты, направленный на выявление степени воздействия электромагнитной обработки на характеристики вытеснения коэффициент вытеснения. C. Эксперименты, направленные на выявление изменений подвижности нефти при электромагнитном воздействии Эксперимент № A-1. Определение критического градиента давления начала фильтрации Цель эксперимента Определение гидростатического градиента давления, при котором начинается фильтрация нефти [34]. Наблюдение за влиянием электромагнитного воздействия на преодоление критического градиента давления. Объект эксперимента Объект эксперимента – пластиковая емкость общим объемом 2000 см (1), представляющая собой бутылку, заполненную песком в объеме – 1500 см. Объект является искусственной насыпной моделью керна. Пористость модели – 35 %, абсолютная проницаемость – 0,5 Д. Для проведения эксперимента была использована нефть объемом 420 см, плотностью 852 кг/м 3 , динамической вязкостью 2,8 мПа·с. В емкость, водной вертикальной плоскости на глубину 60 мм были вмонтированы два электрода (3) на расстоянии 110 мм друг от друга (рисунок 2.24). Диаметр электродов – 9 мм, длина – 150 мм. Электроды представляют собой два стальных болта, подключенных к лабораторной установке (4). Сверху и снизу емкость имеет входное и выходное отверстия соответственно. Вытесненная из модели нефть попадает в мерную колбу (2). 63 Рисунок 2.24 – Эксперимент № А. Схема подключения установки к модели искусственного керна 1 – емкость, содержащая кварцевый песок, 2 – мерная колба, 3 – электроды, 4 – электротехническая часть установки. Основная задача. Основной задачей проведения эксперимента является нахождение кр – критического градиента давления начала фильтрации. Оценка влияния электромагнитного воздействия на градиент начала фильтрации нефти. План проведения эксперимента. 1. Искусственная модель керна насыщается нефтью в объеме 420 см, нефтенасыщенность составляет 0,8 дед. 2. Сверху в емкость поэтапно добавляется вода (плотность 1000 кг/м 3 ). Вода добавляется объемами по 5 см, с временными интервалами – 5 секунд для перераспределения давления. 3. Фиксируется высота напора воды – давление, при котором начинает капать нефть. 4. Отливаем из верхней части емкости добавленную воду до прекращения фильтрации нефти. 5. Производим обработку модели электромагнитным полем с интервалами 5 секундного включения и отключения лабораторной установки. Воздействие осуществляется до появления капель нефти. 64 Результаты эксперимента № А-1.Общий объем добавленной в модель воды составил 200 см, после чего наблюдалось начало вытеснения нефти из нижней части модели. Сразу после этого из емкости было откачано 100 см 3 воды через верхнее отверстие. В течение 10 секунд после этого фильтрация полностью прекратилась. За время ожидания из образца выделилось 2,7 см 3 нефти. Зная площадь поперечного сечения емкости можно рассчитать высоты столбов нефти и воды и, следовательно, найти гидростатический перепад давления насыпной модели , (2.9) где – гидростатический перепад давления начала фильтрации критический градиент, Па, g – ускорение свободного падения (мс, ρ в,н – плотности нефти и воды соответственно (кг/м 3 ), V в,н – объемы воды и нефти соответственно (см, F – площадь поперечного сечения емкости (см. По формуле 2.8 найдем критический перепад давления Для определения критического градиента начала фильтрации полученный результат поделим на длину искусственной насыпной модели кернам) кр (Па/м). После того, как расход снизился до нуля, производилось включение лабораторной установки. На четвертой секунде электромагнитного воздействия фильтрация нефти возобновилась, со средним дебитом 0,085 см 3 /с. На рисунке 2.25 представлено схематическое изображение объекта эксперимента № A-1. 65 Рисунок 2.25 – Схематическое изображение объекта эксперимента № А Н в – критическая высота водяного столба, Н н – высота нефтяного столба, кр – критический градиент начала фильтрации. Площадь поперечного сечения объекта эксперимента F составляет 50,3 см, длина искусственного керна L – 29,8 см. Результаты проведения эксперимента представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 – Результаты эксперимента № A-1 |