№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 533.9:537.52
© 2008 г. КРАВЦОВ Я.И., ПИЩАНЕЦКИЙ В.В., ШАИХОВ Р.Б.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ В СРЕДЕ ПЛАСТОВОЙ ВОДЫ ПРИ ВЫСОКОВОЛЬТНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ*
Приведены результаты экспериментов, проведенных в среде, моделирующей пластовую воду. Выполненные работы позволили сформулировать основные требования к электроразрядному устройству, предназначенному для воздействия на продуктивные пласты.
Как один из эффективных средств воздействия на продуктивные пласты, применяемых для повышения нефтеотдачи, рассматривается высоковольтный электрический разряд, реализуемый на забое скважины. Метод заключается в интенсивном выделении при высоковольтном разряде сконцентрированной в накопителе электрической энергии и преобразовании ее в энергию низкотемпературной плазмы, заполняющей канал разряда. Последняя преобразуется в энергию гидродинамического возмущения, энергию акустических и тепловых волн, воздействующих на пласт.
Электроразрядное устройство для высоковольтного электрического разряда в забое скважины позволяет улучшить коллекторские свойства призабойной зоны нефтяных и водозаборных скважин, интенсифицирует приток пластовой жидкости к добывающим скважинам.
Применение электрического разряда позволяет регулировать интенсивность воздействия на призабойную зону, ограничивая мощность генерируемой энергии на уровне, близком к предельно допустимому по соображениям прочности оборудования скважины и обрабатываемого пласта, что невозможно, например, при использовании для этих целей взрывчатых веществ.
Подвод электроэнергии по кабелю с поверхности позволяет работать в режиме периодически повторяющихся импульсов и производить обработку неограниченно долго.
Однако практическое применение высоковольтного разряда в пластовой жидкости сдерживается тем, что процесс изучен недостаточно: не установлен механизм формирования и развития электрического разряда в пластовой жидкости; не определены характеристики плазмы в канале разряда; не исследованы особенности формирования и развития электрического разряда в условиях высокого давления среды; не исследовано влияние свойств и характеристик продуктивного пласта на эффективность воздействия; не выявлены условия и режим наиболее рационального использования сконцентрированной в накопителе энергии и т.д.; не созданы современные технические средства, обеспечивающие достаточные интенсивность и надежность воздействия на пласт.
* Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия отечественной науке РФФИ (грант № 06-08-01398-а) и гранта Президента Российской Федерации по поддержке ведущих научных школ (НШ-4334.2008.8).
8 2 3 4 7 6 9
Рис. 1. Электродный блок установки: 1 - нижний электрод, 2 - верхний электрод, 3, 4 - изоляторы, 5 - трубка изолирующая, 6 - втулка, 7- 9 - фланцы, 10 - стержни, 11,12 - наконечники кабельные
Цель представляемой работы - исследование особенностей процесса генерации высоковольтного разряда и низкотемпературной плазмы в среде жидкости в условиях забоя скважины и разработка рекомендаций по созданию технических средств воздействия на пласт.
В последние годы опубликованы теоретические и экспериментальные работы по исследованию нестационарных разрядов в воде [1, 2]. Однако пластовая вода представляет собой более сложную среду, чем вода, в ней содержатся взвеси, нефтяные фракции, растворы солей и т.д. Анализ пластовой воды свидетельствует о разнообразии природы и количества растворенных в ней ионов [3, 4]. В пластовой воде присутствуют катионы №+, К+, Са+, М§+, реже - Ва2+, Ы+, Ре2+, анионы С1-, 804- и НС04, часто встречаются С02 , Ш4, Вг-, Г и Б2 . Пластовая вода представляет собой сильно ионизированную среду и является проводником второго рода. В электролитах соблюдается закон Джоуля-Ленца и вся работа электрического тока превращается в теплоту [5]. Очевидно, что процесс электрического разряда в пластовой воде, сопровождающийся формированием плазменного канала, более сложен, чем в технической воде.
Экспериментальная стендовая установка представляет собой цилиндрическую емкость, заполненную жидкостью. Вдоль оси цилиндра Ъ располагаются электроды (острие и плоскость), подключенные к электродам накопительного конденсатора, на который напряжение подается от высоковольтного источника постоянного тока. Схема включается высоковольтным ключом, который представляет собой воздушный разрядник с подвижным контактом. При сближении контактов высоковольтного ключа на некотором расстоянии между ними происходит электрический пробой в воздухе, и напряжение с накопительного конденсатора подается на рабочий разрядник, в цепи рабочего разрядника начинает проходить ток разряда.
В опытах регистрируются осциллограммы тока в разрядной цепи 7(0 и напряжение и(0 на рабочем разряднике. Начальный уровень рабочих напряжений на накопительном конденсаторе составляет =30 кВ, емкость конденсатора - 0,6 мкФ. Электродный блок установки - рабочий разрядник приведен на рис. 1.
Для регистрации однократных быстропротекающих процессов использованы два аналоговых электронных осциллографа С8-13. Измерительная система позволяет регистрировать в функции времени одновременно напряжение и ток в цепи разряда.
В пластах нефтяных месторождений РФ распространены гидрокарбонатнонатрие-вые и хлоркальциевые воды. Пластовые воды основных месторождений Татарстана относятся к типу хлоркальциевых, среднекаменноугольных и девонских отложений месторождений среднего Поволжья также относятся к типу хлоркальциевых [4]. Поэтому в исследованиях использована жидкость, которой моделируется вода типа хлор-кальциевой.
'Н^К шж - р) - 1 и — 2/ кВ
) кА мм
Рис. 2. Осциллограмма напряжения разряда Пф
Химический состав хлоркальциевых вод отличается большим содержанием ионов С1- и №+ и в меньшем количестве ионов Са2+, поэтому в экспериментах использована обычная поваренная соль №С1.
Экспериментальные исследования показали, что в пластовой воде определяющую роль играет тепловой механизм пробоя, при котором пробою предшествует разогрев и испарение воды у электродов под действием тока проводимости, в результате этого между электродами образуется газообразная среда, в которой и происходит пробой межэлектродного пространства. Известно, что при повышении температуры жидкости до кипения напряжение пробоя сильно снижается [6]. Образование газообразной среды - энергоемкий процесс, который протекает в течение больших промежутков времени.
При тепловом механизме пробоя увеличиваются потери энергии на образование газообразной среды и время задержки пробоя, которое зависит от времени образования газовой полости. Длина пробиваемых промежутков меньше, чем при лидерном и растет с увеличением гидростатического давления [1].
Поскольку пластовая жидкость содержит много ионов, ток в разрядной цепи возникает сразу при подаче напряжения на электроды. На осциллограммах напряжение -время П(0 и ток - время Щ) процессы разогрева жидкости и образования газового пузыря характеризуются наличием апериодической кривой разряда конденсатора. Начало пробоя соответствует резкому переходу апериодической кривой в кривую гармонических колебаний и возрастанию тока в цепи. В этой точке заканчивается разогрев жидкости токами проводимости и образование газопаровой полости, и происходит пробой газового промежутка. В результате образуется канал разряда, заполненный плазмой. Низкотемпературную плазму при этом можно считать равновесной [1, 7, 8]. Потери запасенной электрической энергии можно характеризовать отношением А значения напряжения разряда в точке резкого перехода Пз к начальному значению напряжения П0. Количество накопленной на конденсаторе электрической энергии определяется зависимостью Ж = СП2/2, где С - емкость конденсатора; П - напряжение на обкладках; при неизменной емкости конденсатора с уменьшением напряжения оставшаяся энергия характеризуется величиной А2.
Характерные осциллограммы напряжения при содержании соли №С1 200 г на рабочий объем установки 65 л (концентрация 3,08 г/л) приведены на рис. 2.
В пластовой воде на предварительной стадии формирования газовой полости расходуется большая доля накопленной в конденсаторе электрической энергии, в результате на сам разряд и, следовательно, на воздействие на пласт остается значительно меньшая часть накопленной энергии (рис. 2), А2 = 0,51. С увеличением содержания соли потери энергии на формирование газовой полости возрастают и при ограниченной емкости конденсатора могут быть полностью израсходованы на предварительной стадии (рис. 3). На рисунках приведены варианты с содержанием соли 1200 г в рабочем объеме установки (концентрация соли 18,5 г/л).
Данные для других концентраций содержания соли и различных величин межэлектродного расстояния приведены в таблице.
(в)
Рис. 3. Осциллограммы напряжения разряда П(() (а) и тока разряда /(г) (•)
Из приведенных в таблице данных видно, что с увеличением межэлектродного расстояния потери энергии увеличиваются: при концентрации соли в жидкости 3,08 г/л увеличение межэлектродного расстояния на 50% (от 10 до 15 мм) приводит к росту потерь на ~18%, при 18,46 г/л пробой вообще не происходит.
С целью увеличения доли энергии, используемой для воздействия на пласт, необходимо уменьшить долю накопленной энергии, расходуемую на формирование газообразной среды. Это можно получить изменением электрических характеристик среды, увеличением емкости накопительного конденсатора и повышением напряжения.
Оптимальным способом снижения потерь представляется выбор соответствующей компоновки электроразрядного устройства.
Высокие значения давления и температуры в забое скважин увеличивают потери энергии при формировании газовой полости на начальном этапе, что меняет характер и основные параметры электрического разряда. Пространство для размещения высоковольтной техники в забое скважины мало и ограничивается диаметром промысловых скважин, что ограничивает емкость накопителей энергии и мощность установки. В условиях забоя мощности установки без проведения специальных технолог
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.