Введение к работе
Актуальность темы
При использовании акустических полей в приложениях, часто возникают ситуации, когда сама геометрия диктует те или иные формы излучающих апертур. Особенно это заметно при рассмотрении проблемы излучения акустических полей из скважин.
Диаметры скважин, используемых как в научных, так и практических целях, имеют в подавляющем большинстве случаев малые волновые размеры, что приводит к необходимости использования акустических источников с одномерными излучающими апертурами. Такие источники дают акустическое поле, имеющее либо сферическую, либо цилиндрическую расходимость. Подобная «ограниченность в средствах» создает часто непреодолимые трудности на пути получения различных акустических эффектов во многих скважинных задачах, связанных как с исследованием окружающего пространства, так и с воздействием на скважинные геотехнологические процессы.
По всей видимости, единственным способом как-то обогатить акустическую ситуацию для скважинных антенн является введение различных фазовых распределений вдоль образующей протяженной антенны, создающей цилиндрическую расходимость.
В теории гидроакустических антенн рассмотрены некоторые, связанные с этим, проблемы. Так, подробно исследованы вопросы формирования характеристик направленности, изучены коэффициенты концентрации и т.д. компенсированных линейных непрерывных и дискретных антенн как в свободном пространстве (под компенсацией имеется ввиду фазовое распределение, обеспечивающее синфазность всех элементов антенны относительно заданного направления), так и в волноводах.
На основе использования линейных протяженных антенн ограниченной апертуры строятся эффективные алгоритмы выделения слабых рассеянных сигналов на фоне мощных помех в морской акустике.
Задачи, решаемые в теории гидроакустических антенн, возникли из нужд их практического использования, которые, в общем случае, существенно отличаются от нужд практического использования скважинных антенн. В подавляющем большинстве работ, где обсуждаются те или иные свойства гидроакустических линейных непрерывных или дискретных антенн рассматривается зона дифракции Фраунгофера (исключением является цикл работ Зверева В.А., где исследуются возможности приемной линейной антенны, способной, так или иначе, оценивать кривизну принимаемого ею волнового фронта). Для скважинных протяженных акустических антенн принципиальным является постановка проблемы компенсации цилиндрической расходимости для увеличения амплитуды создаваемого ею поля в околоскважинной зоне и рассмотрение, таким образом, зоны дифракции Френеля.
Действительно, существуют два основных типа скважинных акустических задач. Во-первых, это задачи диагностики или задачи исследования из скважин. Во-вторых, это задачи воздействия на различные скважинные геотехнологические процессы (имеется ввиду нефте- газодобыча, подземное выщелачивание редких металлов, подземное растворение солей и др.). Задачи акустического исследования из скважин пока исчерпываются устоявшимися технологиями акустического каротажа, чаще всего односкважинного, где измеряются скорость звука и затухание акустических волн в околоскважинном пространстве.
В существующих технологиях акустического каротажа используемые скважинные акустические источники создают расходящиеся фронты, применение же сложных фазовых фронтов может существенно обогатить ситуацию. Применяя, например, фазовые фронты, создающие контрастность по полю в околоскважинной зоне, можно получить достоверную информацию, как о линейных, так и о нелинейном параметре среды. Более того, отвлекаясь от скважинной проблематики, здесь можно построить метод нелинейной диагностики фокальной области сфокусированного пучка в оптически непрозрачных средах.
Второй тип скважинных акустических задач является не менее актуальным. Дело в том, что с физической точки зрения все геотехнологические процессы, связанные с добычей полезных ископаемых, есть не что иное, как процессы тепло- массопереноса в многофазных средах, а влияние упругих полей на подобные процессы известно и является широко обсуждаемым в различных приложениях.
Технологии, использующие различные виды акустического воздействия из скважин, уже давно существуют, например, в нефтепромысловом деле (воздействие монохроматическим акустическим полем различного частотного диапазона; воздействие импульсами от пластоиспытателей, искровых источников; виброударная обработка и др.).
Подобные технологии, так или иначе, способствуют решению промысловых задач (увеличение дебита добывающих скважин, вызов притока жидкости из пласта в простаивающих скважинах, повышение приемистости нагнетательных скважин).
Известно, что физико-химические механизмы акустического воздействия проявляются существенно эффективней с ростом интенсивности акустического поля и радиуса озвучиваемой зоны.
Основной причиной ограничения интенсивности излучаемого поля является малость диаметров сооружаемых эксплуатационных скважин (сейчас, в основном, в эксплуатации находятся скважины с внешним диаметром от 140 до 245 мм) и единственно реальная возможность увеличения энергии акустического поля в прискважинной зоне заключается в создании антенн, распределенных вдоль оси скважины. Существующие технические решения позволяют в данном случае несколько увеличить энергию акустического поля в нефтяном пласте за счет уменьшения геометрической расходимости энергии этого акустического поля. Тем не менее, цилиндрически расходящийся фронт не самый эффективный фазовый фронт для воздействия на прискважинную зону. Более эффективен будет тот фазовый фронт, который даст возможность как-то скомпенсировать непреодолимую, в ситуации линейной протяженной антенны, цилиндрическую расходимость. Очевидно, что таким фазовым фронтом будет сфокусированный фазовый фронт, который создан специфическим фазовым распределением вдоль образующей протяженной цилиндрической антенны. Вообще говоря, теория фокусирования акустических волн достаточно хорошо разработана. Тем не менее, проблема фокусирования расходящихся цилиндрических волн ранее не ставилась, по всей видимости, потому, что не ясна была область применения подобных исследований, и изучались ситуации, связанные с фокусированием акустических волн из «закрытых» апертур (линзы, рефлекторы, концентраторы и т.д.).
Таким образом, методы формирования сфокусированных цилиндрически расходящихся фронтов и вопросы, связанные с их распространением, представляют значительный интерес, так как они востребованы в такой обширной области как скважинная акустика.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы являлась разработка принципов и методов создания нового класса акустических антенн - фокусирующих скважинных излучателей, их реализация и тестирование в различных масштабных экспериментах.
В задачи работы входило:
-
Разработка теоретических основ метода увеличения интенсивности акустического поля в околоскважинном пространстве с помощью создания фокусирующих фазовых распределений вдоль образующей протяжённой скважинной антенны.
-
Физическое и математическое моделирование метода фокусирования цилиндрически расходящегося поля с помощью создания дискретных фазовых распределений на начальной апертуре. Оценка эффективности цилиндрической зонной линзы для создания нового класса акустических приборов - фокусирующего скважинного излучателя.
-
Решение проблемы оптимального согласования линейной протяжённой антенны, находящейся в заполненной жидкостью скважине, с массивом.
-
Разработка и изготовление фокусирующих скважинных излучателей, и их экспериментальное исследование.
-
Планирование и проведение полевого эксперимента по акустическому воздействию на процесс подземного выщелачивания с помощью фокусирующих скважинных излучателей. Анализ результатов.
-
Оценки возможности использования фокусирующих скважинных излучателей в актуальных задачах скважинной геоакустики.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработаны теоретические основы метода увеличения интенсивности цилиндрически расходящегося поля с помощью начальных фазовых распределений, позволяющих в определённой области пространства компенсировать начальную цилиндрическую расходимость. Математически промоделирована ситуация фокусирования расходящейся цилиндрической волны бесконечной апертуры с произвольным непрерывным распределением фазы и амплитуды по начальной апертуре. В широкой области параметров получены и проанализированы двумерные выражения для давления и компонент скорости. Рассмотрены особенности фокусирования, возникающие при ограничении апертуры.
-
Физически и математически смоделирован метод фокусирования цилиндрически расходящегося поля с помощью создания дискретных фазовых распределений на начальной апертуре. Показано, что распределение зон Френеля на расходящемся цилиндрическом фронте существенно отличается от плоского и сферического случаев. В широкой области параметров получены и проанализированы двумерные выражения для давления и компонент скорости в поле, создаваемом цилиндрической зонной линзой Френеля. Поведение акустического поля цилиндрической зонной линзы исследовано экспериментально, получено совпадение с теорией. Экспериментально найдены и исследованы различные варианты создания цилиндрической зонной линзы.
-
Решена проблема оптимального согласования протяжённой пьезокерамической антенны, находящейся в заполненной жидкостью скважине, с массивом. Впервые найдены импедансные граничные условия, позволяющие корректно описать некомпенсированную пьезокерамическую антенну, работающую в заполненной жидкостью скважине. Теоретически и экспериментально исследованы условия, приводящие к оптимальному согласованию системы пьезокерамическая антенна – скважина – массив.
-
Показано, что оптимальным типом фокусирующего скважинного излучателя является антенна, собранная в виде цилиндрической зонной линзы. Произведено математическое моделирование работы пьезокерамической некомпенсированной антенны, собранной в виде цилиндрической зонной линзы, находящейся в заполненной жидкостью скважине и излучающей сфокусированное акустическое поле в твёрдую среду.
-
На основе разработанных модельных представлений об оптимальном типе фокусирующего скважинного излучателя впервые изготовлены и испытаны скважинные акустические источники с возможностью фокусирования акустического поля.
-
Разработаны принципы создания фокусирующего акустического скважинного излучателя с переменным фокусным расстоянием.
-
Впервые проведён полевой эксперимент по акустической интенсификации процесса подземного выщелачивания редких металлов. Показано, что использование сфокусированных акустических поле для интенсификации скважинных геотехнологических процессов обладает значительной перспективой.
-
Впервые предложен односкважинный метод исследования нелинейных параметров околоскважинного пространства с возможностью получения информации о нелинейных характеристиках среды, находящейся вне нарушенной прискважинной зоны.
Совокупность научных результатов диссертации может рассматриваться как существенный вклад в решение целого ряда актуальных научных и практических задач скважинной геоакустики. Вклад заключается в разработке методов и принципов излучения из скважин сфокусированных акустических полей, что позволило разработать новейшие технологии и оборудование для воздействия акустическими полями из скважин на геотехнологические процессы, и создать принципиально новые методы диагностики околоскважинного пространства.
Практическая ценность работы
Настоящая диссертационная работа представляет собой замкнутый цикл исследований, начиная от создания теоретических основ метода увеличения интенсивности цилиндрически расходящегося поля с помощью начальных фазовых распределений и заканчивая тестированием в полевых экспериментах образцов разработанного и изготовленного оборудования.
В результате проведённых исследований создан совершенно новый класс акустических скважинных излучателей - излучателей с возможностью фокусирования акустической энергии в прискважинной зоне. На основе данных разработок возможно существенное развитие (как это показано в диссертации) действующих скважинных акустических технологий и создание новых. Особенную ценность скважинные фокусирующие излучатели имеют для создания технологий акустической интенсификации различных скважинных геотехнологических процессов, таких как нефте - газодобыча, подземное выщелачивание, подземное растворение солей и др. Подобная роль скважинных фокусирующих излучателей связана с тем, что лишь такой тип излучателей может радикально увеличить интенсивность акустического поля в прискважинной области.
Более того, в работе показана возможность использования подобных излучателей для избирательного воздействия на небольшие локализованные участки в прискважинной зоне.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы повсеместно в горнодобывающих отраслях при совершенствовании скважинных добычных технологий. Проведёнными исследованиями доказаны преимущества скважинных акустических систем с возможностью фокусирования акустической энергии в около скважинной зоне перед существующими и показана перспективность их использования для интенсификации скважинных геотехнологических процессов. Фактически, исследования доведены до формулировки технических требований на создание многофункционального акустического комплекса акустической интенсификации скважинных геотехнологических процессов.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработаны теоретические основы метода увеличения интенсивности цилиндрически расходящегося поля с помощью начальных фазовых распределений, позволяющих в определённой области пространства компенсировать начальную цилиндрическую расходимость. Теоретически и экспериментально исследованы возможные типы фокусировки цилиндрически расходящихся волн. Показано, что с помощью фокусировки расходящихся цилиндрических волн можно достичь значительной компенсации цилиндрической расходимости.
-
С целью разработки оптимального типа фокусирующего скважинного излучателя разработаны принципы фокусирования цилиндрически расходящихся волн с помощью дискретных начальных фазовых распределений. Показано, что закон образования зон Френеля на расходящемся цилиндрическом фронте существенно отличается от плоского и сферического случаев. Экспериментально исследована дифракция вблизи фокуса цилиндрической зонной линзы. Экспериментально найдены и исследованы различные варианты создания цилиндрической зонной линзы.
-
Построена модель оптимального фокусирующего скважинного излучателя. Определены предельные возможности фокусирования цилиндрически расходящегося акустического поля в твёрдой среде. В широкой области параметров получены и проанализированы двумерные выражения для полей, создаваемых сфокусированным цилиндрически расходящимся фронтом в твёрдой среде.
-
Показано, что работа в скважине реальной пьезокерамической (магнитострикционной) антенны описывается импедансными условиями, значительно отличающимися от идеальных граничных условий. Разработана процедура получения оптимальных условий согласования реальных протяжённых антенн, находящихся в заполненных жидкостью скважинах, с массивом. Результаты протестированы в полевом эксперименте.
-
Проведён первый в мире успешный эксперимент по акустической интенсификации подземного выщелачивания редких металлов. Показано, что сфокусированное акустическое поле является весьма эффективным средством воздействия на процессы подземного выщелачивания металлов, особенно из гидрогенных месторождений, находящихся на поздних стадиях эксплуатации.
-
Показано, что использование сфокусированного акустического поля для интенсификации скважинных геотехнологических процессов даёт возможности построения методов диагностики этих процессов. В проведённом полевом эксперименте показаны возможности определения такого параметра процесса как коэффициент фильтрации.
-
Предложено и обосновано применение фокусирующих акустических скважинных излучателей в актуальных задачах скважинной геоакустики, как в задачах интенсификации добычных геотехнологических процессов на примере подземного растворения солей, так и в задачах исследования околоскважинного пространства на примере создания метода нелинейного вертикального профилирования.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на Международных симпозиумах по нелинейной акустике (11-м Новосибирск, 1987г.; 14-м Нанкин, Китай, 1996г.; 16-м Москва, 2002г.; 18-м Стокгольм, 2008г.), на Всесоюзном семинаре «Нетрадиционные методы геофизических исследований неоднородностей в земной коре» (Москва, 1989г.), на 12-м Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Винница, 1989г.), на 11-ой Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991г.), на сессиях Российского акустического общества (11-ой, 2001г.; 13-ой, 2003г.; 15-ой, 2004г.; 16-ой, 2005г.; 18-ой, 2006г.; 19-ой 2007г.), на Нижегородской акустической научной сессии 2002г, на научных конференциях по радиофизике, Нижний Новгород (4-й, 2000г.; 5-й, 2001г.; 7-й, 2003г.; 8-й, 2004г.; 9-й, 2005г.; 10-й, 2006г.; 11-й, 2007г.), на Международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005г.), на 9-й Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2007г.), на Международной конференции “ACOUSTICS’08” (Париж, 2008г.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано более 60 работ в различных научных изданиях, из них 13 статей в журналах из списка ВАК (7 статей написаны без соавторов) и 6 авторских свидетельств и патентов.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялся выбор направлений, объектов и методов исследования, осуществлялись постановка лабораторных и полевых экспериментов и их проведение.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы.
Работа изложена на 286 страницах и содержит 63 рисункa. Список литературы включает 390 наименований.
