CC BY
21
УДК 622.276.6
ДБ. ВЕНГРОВИЧ, А.П. ГОРОВЕНКО
1нститут геофiзики iM. С.1. Субботша Нацюнально! академи наук Укра1ни
ПРОГРАМНО-ЕКСПЕРИМЕТАЛЬНИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ФШЬТРАЦП ФЛЮ1ДУ ПОРИСТИМ СЕРЕДОВИЩЕМ В ПОЛ1 АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ
Розроблена i виконана в метал! експериментальна установка для досл1дження дИ акустичних хвиль на фшьтрацт р!дини кернами пористих середовищ. Установка дозволяе проводити досл!дження в широкому д!апазон! частот акустичних хвиль з паралельним чисельним моделюванням даних процес!в методом сктченних елемент!в (МСЕ). Створена теоретична модель для розрахунку акустичних пол!в в кернах пор!д та проведена ii апробац!я.
Ключовi слова: фтьтращя, пористе середовище, акустичнi хвилi, моделювання, метод сктченних елемент!в.
Д.Б. ВЕНГРОВИЧ, А.П. ГОРОВЕНКО
Институт геофизики им. С.И. Субботина Национальной академии наук Украина
ПРОГРАМНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ ФЛЮИДА ПОРИСТОЙ СРЕДОЙ В ПОЛЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
Разработана и выполнена в металле экспериментальная установка для исследования влияния акустических волн на фильтрацию жидкости кернами пористых сред. Установка позволяет проводить исследования в широком диапазоне частот акустических волн в сопровождении численного моделирования таких процессов методом конечных элементов (МКЭ). Создана теоретическая модель для расчета акустических полей в кернах пород и проведена ее апробация.
Ключевые слова: фильтрация, пористая среда, акустические волны, моделирование, метод конечных элементов.
D.B.VENGROVICH, A.P.GOROVENKO
S.I. Subbotin Institute of Geophysics NAS of Ukraine
SOFTWARE AND HARDWARE CONSTELLATION FOR THE STUDY OF FLUID FILTERATION IN POROUS MEDIA BY ACOUSTIC WAVES FORCING
We have designed and constructed in metal the research installation for the study of liquid filtration in porous media We have designed and constructed in metal the research installation for the study of liquid filtration in porous media such as sandstone and its response by the acoustic waves forcing. The listed above installation allows to run experiments in a wide range of acoustic waves frequencies simultaneously with its digital simulation using multiphysics finite element modelling. This paper aims at laboratory of device for analyzing the influence of high frequency ultrasonic radiation on permeability of oil. The productivity of oil and gas wells declines with time for various reasons. In the case of successful treatment, the effect of improved permeability may last up to several months. Some of these reasons are for example plugging ofpores by mineral fines suspended in the produced fluids, clay swelling and invasion of mud solids and filtrate. Each of these reasons can cause a decline in permeability in the near well-bore region. Developing and applying new techniques to mobilize residual oil left in the reservoir is important. Ultrasound technique is one of the unconventional methods to increase the productive of oil wells. Although, the effects of ultrasonic irradiation on multiphase flow through porous media have been studied in the past few decades, the physics of the acoustic interaction between fluid and rock is not yet well understood. Various mechanisms may be responsible for enhancing the flow of oil through porous media in the presence of an acoustic field. Capillary related mechanisms are peristaltic transport due to mechanical deformation of the pore walls, reduction of capillary forces due to the destruction of surface films generated across pore boundaries, coalescence of oil drops due to Bjerknes forces, oscillation and excitation of capillary trapped oil drops, forces generated by cavitation bubbles, and sonocapillary effects. Insight into the physical principles governing the mobilization of oil by ultrasonic waves is vital for developing and implementing novel techniques of oil extraction.
Keywords: filtration, porous media, acoustic waves, FEM, modelling.
Постановка проблеми
Дослщження ди акустичних хвиль на фшьтрацш флю!ду в нафтогазових пластах мае важливе наукове та прикладне значения, зокрема для тдвищення дебпу нафтогазових свердловин. 1нтенсиф1кац1я видобутку поклащв вуглеводшв проводиться в межах широкого спектру технологш - з застосуванням вибухово! дп в пластах, х1м1чних речовин, котр1 збшьшують пориспсть колекторних порщ, поверхнево активних речовин, а також з застосуванням р1зномаштних в1брацшних вплив1в на присвердловинний проспр. Останнш шдх1д може виявитись найбшьш еколопчно доцшьним, однак таш технологи необхщно будувати на баз1 досить тонких 1 поки недостатньо вивчених ефектш структурування пщаника тд впливом штенсивних в1брацш складно! форми та спектру частот вщ складних та високотехнолопчних джерел та генератор1в. Вщдшення геодинам1ки вибуху 1нституту геоф1зики НАНУ виконуе досл1дження в цьому науковому та технолопчному напрямку, тому ми будуемо експериментальш установки, в яких вивчаеться вплив високочастотних хвиль в1д п'езовипром1нювач1в на процеси пропкання мастил р1зно! в'язкосп через пщаник. Складшсть цих процеав 1 необхщшсть проектування джерел випромшення вимагае проводити паралельне чисельне моделювання всього перебну експерименпв.
Анаш останнiх досл1джень та публiкацiй
Дослщженню впливу в1брацш на рух флю!ду в пористих середовищах присвячено ряд робгт, [1]-[5]; зокрема отримаш експериментальш результати для пресованих порошив порщ в обласп малих тисков (дол1 атм.). Необхадш подальш1 дослщження фшьтраци флющв кернами пщаника 1 т.п. в пол1 акустичних хвиль в широкому д1апазош значень величини тиску.
Мета дослiдження
Розробити та виконати в метал1 експериментальну установку для дослщження ди акустичних хвиль на фшьтрацш флю!ду кернами порщ. Створити теоретичну модель для розрахунку акустичних пол1в в кернах порщ.
Викладання основного матерiалу дослiдження
До перспективних, еколопчно безпечних та мало затратних метод1в штенсиф1кацп видобутку вуглеводшв слад вщнести способи, як1 грунтуються на вплив1 пружних коливань на нафтонасичеш породи. Результати дослщв з акустичними хвилями свщчать про зм1ну поверхневого натягу та в'язкосп рщини; зменшуеться ефективне тертя м1ж породою та флю!дом 1 як наслщок - тдвищуеться рухлив1сть флю!ду. Деяш автори вважають, що може мати м1сце резонансний характер взаемодп акустичних хвиль з пористим середовищем та вказують на можливють каштаци на стшках капшяр1в; р1зш точки зору вказують на складшсть мехашзм1в взаемоди акустичних хвиль з середовищем пласпв 1 на необхщшсть проведення подальших експериментальних та теоретичних дослщжень.
З метою дослщити мехашзми впливу акустичних хвиль на швидшсть ф1льтрацп рщини в реальних кернах розроблена та виготовлена в метал1 експериментальна установка, як шструмент дослщження ф1льтрацп в широкому д1апазош тисшв (десятки атмосфер) та частот хвиль. На рис.1 наведена блок-схема експериментально! установки для дослщження фшьтраци рщини р1зними матер1алами (шсковик, вапняк 1 т.п.) при р1зних тисках, при наявносп або вщсутносп акустичних хвиль. Вигляд експериментально! установки для дослщження фшьтраци рщини кернами пористих середовищ наведений на фотографи рис.1.
1
4
6
Рис. 1. Блок-схема експериментально!' установки для дослвдження ф1льтрацц рздини пористими середовищами: 1-балон з газом (азот) високого тиску, 2-редуктор для регулювання величини тиску, 3-ресивер з р1диною, 4-кернотримач, 5-м1рний стакан, або точн1 терези, 6-генератор акустичних коливань видас сигнал на п'езовипромшювач П всередин1
кернотримача, Х-крани, М-манометри
Схематично позначений на рис. 2 випромiнювач акустичних коливань 4 може мати рiзне розмщення в експериментальнiй установц (всерединi чи поза кернотримачем), для технолопчних задач побудови торпеди-випромiнювача буде дослвджено його мiсцезнаходження з огляду на iнтенсивнiсть поля хвиль як в радит, так i в поропружному прошарку пiщаника. Чисельнi розрахунки в цьому випадку допоможуть прогнозувати ефективнiсть рiзних технологiй розмiщення випромшювача.
Рис. 2. Конструкцiя ресивера (а) та кернотримача (б), колекщя кернш тщаникш з р1зних свердловин
Ресивер це емшсть з рiдиною, вш використовуеться для стабшзацп процесу. Кернотримач з'еднаний з ресивером маслостiйким шлангом для подачi рвдини шд тиском до керну; до випромшювача в кернотримачi шдведеш акустичнi коливання ввд генератора коливань. Конструкци ресивера та кернотримача наведеш на рис. 2, де 1 - корпус; 2 - штуцер пвд маслостшкий шланг; 3 - робоча рщина; 4 -випромшювач акустичних коливань; 5 - болтове з'еднання; 6 - фланець; 7 - штуцер для подачi сигналу вщ генератора акустичних коливань до випромшювача; 8 - штуцер для подачi рвдини ввд ресивера до кернотримача; 9 - штуцер для рвдини ф№тровано! керном; 10 - керн.
Шсля налагодження експериментально! установки для вивчення ф№трацп рвдини рiзними мiнералами виконанi тестовi роботи, для однакового iнтервалу часу дослщили фiльтрацiю рвдини керном з шсковика в залежностi ввд тиску в рiдинi; об'ем вщфжтровано! рщини реестрували мiрним стаканом.
На рис. 3 наведена отримана в експерименп залежнiсть величини нормованого об'ему вщфшьтровано! рiдини вiд тиску; робоча рвдина нафтопродукт (моторне масло), керн з шсковика дiаметра 53 мм \ товщини 17 мм, час фшьтраци - година для одного значения тиску.
от 1.0
0,8
0,6
0,2
0,0
—I
10
Р. бар
Рис. 3. Залежтсть нормованого об'ему фильтровано! рмини ввд тиску в р1дит. Цiиа иод1лки манометра 0,25 бар, цша иод1лки м1рного стакана 1 т1; для тиску Р= 9 бар об'ем фшьтрованого масла дорiвнював 60 т1
Як видно з рис. 3, мае мюце лшшна залежнють об'ему фшьтровано! рщини вщ тиску, тобто виконуеться закон Дара , для малих тисшв Р<2 бар фiльтрацiя практично вщсутня.
У якостi випромiнювачiв можуть бути використаш п'езоелементи рiзноi геометрп: диски, кшьця, цилiндри i т.п. На рис. 4 наведеш п'езовипромiнювачi Ланжевена на рiзнi резонанснi частоти: 28 КГц; 40 КГц. До складу випромшювача Ланжевена входять дек1лька п'езокшець (центр конструкцп рис. 4), вщдзеркалювач (нижня частина) та концентратор (верхня частина), конструкцiя жорстко стиснута по ос болтом, електричний сигнал вщ генератора подаеться на двi клеми посередиш приладу.
Рис. 4. П'сзовипромшюваш Ланжевена
З метою чисельного моделювання було побудовано ск1нченноелементну модель процес1в, що вщбуваються в експерименл як мультиф1зично1 задач1 - ми розраховуемо динам1чну задачу про рух в'язко! р1дини навколо i всередиш пщаника на фош згенерованого випром1нювачем поля тиску тд д1ею елекгричного сигналу довшьно! амплпуди га спектра частот на обкладках чотирьох зустр1чно поляризованих п'езокристал1в. Геометр1я та ск1нченноелементна сита модел1 приведена на рис. 5а. Концентратор 2 (у вигляд1 кошчного стакана або суцшьного конуса) занурений в родину (вода), вщдзеркалювач 2 знаходиться в повпр1 з фшсащею його верхньо! гранищ. Концентратор i вщдзеркалювач 2 з алюмшш з'еднаш стальним цил1ндром 1. Родина 4 в модел1 займае нижнш швпрослр, причому И вщдалеш обласп моделюються прошарком идеально поглинаючо! речовини 6. Чотири п'езовипром1нююч1 цилшдра 3 виконаш з матер1ала PZT-1 (lead zirconate titanate). Керн 5 з шсковика моделюеться в межах поропружно! модель
Рис. 5. П'езовипромшювач Ланжевена у вода: а — модель, б — напруження в пружних ттлах (.ива частина) та тиск у вода
(права частина) при робоп на резонанснш частотi 20 кГц
На рис. 5-7 приведено геометрш моделi i результати тестового чисельного моделювання хвильових полiв за допомогою методу сшнченних елементiв при випромшеш генераторами Ланжевена рiзноl форми на рiзних частотах у пiвпростiр рщини, де розмiщено диск з пщаника. Хвилi генеруються (при вирiшеннi електромехашчно! задачi) вщ подачi на обкладки збiрки за схемою конденсатора чотирьох зустрiчно поляризованих п'езокристалiв гармонiчного електричного сигналу вiдповiдноi частоти.
Рис. 6. Поля напружень та тисюв у модел1 при робоп п'сзовипромшювача Ланжевена у вода на резонанснш 4acTOTi
а - 40кГц; б — 2мГц
ftwmiwwt Surface von Н } нмо hi SCI WHS rfeqUt-2000000 Нл Surface: von Mlscs stress IPa) \Y/ HJ
Г ш \ N. а ш щшштшш \ «-С Щ ■ s.i P I щ$ f i "••-. ""
Рис. 7. Поршняння полiв напружень (а) та тискв (б) у модел1 при робот1 п'сзовипромшювача Ланжевена у вода на резонанснш частой 2мГц. для р1зних форм концентратора
Висновки
Розроблена конструкция та виготовлена в металi експериментальна установка для дослщження дп акустичних хвиль на ф№тращю рвдини кернами пористих середовищ (пiщаник, вапняк i т.п.). Побудована числова модель ще! установки та проведена li апробацiя. Для тсковика виконанi тестовi вимiрювання залежностi об'ему ф^тровано! рiдини ввд тиску в кернотримач^ для розглянутих тисков до 10 бар мае мюце лшшна залежнiсть об'ему фшьтровано! рвдини вщ тиску, для малих тискiв P<2 бар фiльтрацiя практично вiдсyтня.
Список використаноТ лiтератури
1. Beresnev I.A. Elastic wave stimulation of oil production: A review of methods and result / I.A. Beresnev, P.A. Johnson // Geophysics. — 1994. — V. 59(6). — Р. 1000-1017.
2. Poesio P. An investigation of the influence of acoustic waves on the liquid flow through a porous material / P. Poesio, G. Ooms // Journal of Acoustical Society of America. — 2002. — V. 111(5). — Р. 2019-2025.
3. Poesio P. Thеoretical and experimental investigation of acoustic streaming in a porous material / P. Poesio, G. Ooms // Physical Review, E66:016309. — 2002.
4. Гутак O.I. Експериментальш дослвдження впливу пружних коливань на змшу фшьтрацп нафтоводяно! сум^ / O.I. Гутак // Науковий вюник 1ФНТУНГ. — 2011.— № 3(29). — С. 53-56.
5. Бажалук Я.М. Удосконалення техшчних засобiв iмпyльсно-хвильовоi дп на нафтоносш пласти / Я.М. Бажалук та ш. // Розввдка та розробка нафтових та газових родовищ. — 2010. — № 1(34). — С. 10-13.
