Ключевые слова: акустическое разгазирование, ультразвук, дегазация нефти, увеличение дебита, фонтанная скважина, электрогазлифт.
Широкое внедрение акустических технологий в нефтегазовую отрасль, ограничено отсутствием единой методологии подбора параметров акустического волны. Подбор оптимальных параметров воздействия на сегодняшний день возможен только эмпирическим путем, при этом лабораторные исследования будут носить качественный характер, т.к. условия на реальных объектах могут существенно отличаться от лабораторных и, как следствие, может быть не учтен эффект акустического воздействия.
Процесс разгазирования газонасыщенной нефти характеризуется метастабильным состоянием, в котором система может находиться достаточно долго. При этом факторы внешнего воздействия, вызывающие малые отклонения системы от метастабильного состояния, не приводят к переходу в другое состояние (после снятия внешнего возмущения система возвращается в исходное метастабильное состояние). С другой стороны, достаточно сильное воздействие выведет систему из метастабильного состояния в новое равновесное. То же самое должно произойти, если система будет находиться в метастабильном состоянии в течение большого промежутка времени [3].
Авторы работы [6] разработали концептуальную схему применения нефтегазовых сепараторов с наклонными полками, к которым прикреплены ультразвуковые излучатели, однако не приводятся параметры акустического воздействия, границы применимости технологии и не затрагиваются отрицательные последствия, например, диспергирование смеси и получение устойчивых эмульсий воды и нефти. Авторами работы [10] разработана технология дегазации жидкой серы при помощи акустического воздействия на водонефтяные эмульсии.
В работе [2] представлен промысловый опыт применения дегазации нефти в работающих скважинах. По данным публикации [2], достигнуты положительные результаты промысловых испытаний. Излучатель спущен в интервал перфорации, так как технология акустического разгазирования предполагает в первом приближении постоянную работу излучателя, а по результатам промысловых испытаний эффект сохранялся и после прекращения воздействия ультразвуком. Таким образом, можно предположить, что, кроме принудительной дегазации скважинного флюида, авторы [2] обеспечили обработку призабойной зоны пласта по декольматации порового пространства. Анализ публикации [2] не позволяет оценить степень акустического воздействия на призабойную зону скважин и скважинную продукцию в исследуемых скважинах.
Исследование [11] по разгазированию авиационного топлива JP-8, состоящего из н- (50 % масс), цикло- (15 % масс), разветвленных парафинов (15 % масс) и ароматических углеводородов (20 % масс), позволяет сделать вывод об эффективности акустического воздействия, с обеспечением периода разгазирования не более 30 секунд в зависимости от температуры рабочей среды.
В работе [9] приведены экспериментальные данные по оценке влияния акустического воздействия на модельную жидкость «трансформаторное масло – жидкий пропан» при давлении в системе не более 2 МПа. Отмечается повышение давления насыщения модельной жидкости с увеличением объемной энергии ультразвука и мольной доли газа в жидкости, но не приводятся параметры акустической волны, кроме амплитуды сигнала звукоприемника. Результаты исследований [9] позволили обеспечить приращение давления насыщения в относительных единицах 0,125 при газовом факторе 10,6 м3/м3 и 45 % при 33 м3/м3. Согласно выводам в работе [9], приращение давления насыщения под воздействием акустического поля тем интенсивнее, чем больше газонасыщенность жидкости. А восстановление равновесия требует при увеличении газонасыщенности все большего времени, т.е. эффект при снятии ультразвука может длиться достаточно долго.
В работе [14] представлены результаты лабораторных исследований ультразвукового воздействия на газонасыщенные нефти Новопортовского нефтегазоконденсатного месторождения и Красноленинского (пальяновская площадь) нефтяного месторождения. Среднее значение приращения давления насыщения, по данным лабораторных испытаний [14], составляет 10 % в зависимости от акустической мощности ультразвукового излучателя. Согласно исследованиям [9, 14], прирост давления насыщения при акустическом воздействии тем выше, чем выше газонасыщенность нефти, а дополнительные исследования показали на возможность акустического воздействия на любой стадии разгазирования.
В работе [7] описаны результаты испытаний высокочастотного озвучивания смеси «пропан – н-гептан» (62 кГц), приращение давления насыщения не превышает 25 % в зависимости от акустической мощности звукоприемника. Согласно данным [7], после снятия акустического воздействия релаксация давления насыщения от времени имеет экспоненциальную зависимость (рисунок 1):
где
– текущее значение давления насыщения жидкости;
– изначальное давление насыщение без акустического воздействия;
– коэффициент характеризующий эффективность акустического разгазирования
– прирост в процентном соотношении);
– коэффициент характеризующий скорость релаксации давления насыщения или, другими словами, скорость обратного растворения выделившихся газовых пузырьков в жидкость;
– время в минутах.
Коэффициент В изменяется в пределах 0–1, при B→1 скорость релаксации уменьшается, при B→0 – увеличивается. При B = 1 отсутствует релаксация давления насыщения к его первоначальному значению после снятия акустического воздействия, т.е. давление насыщения остается постоянной величиной равной 
. В свою очередь, коэффициент В зависит от концентрации и типа поверхностно-активного вещества (ПАВ, сольватной оболочки) (СПАВ), режима течения смеси (Reсм), свойств газа и жидкости, коэффициента диффузии (D), температуры и относительной концентрации растворенного газа (
) и других параметров. Ввиду малого количества исследований акустического воздействия с точки зрения повышения давления насыщения, зависимость коэффициента релаксации В системы от комбинации вышеперечисленных параметров на сегодняшний день не решена, что требует отдельных обширных исследований.
Коэффициент эффективности A акустического разгазирования принимает значение больше 0, при А→0 эффективность снижается. Численные эксперименты и анализ полученных результатов позволили получить зависимость для определения коэффициента А:
где
– давление насыщения жидкости, Мпа;
– давление в системе, Мпа;
– плотность жидкости, кг/м3;
– частота акустического поля, Гц;
– концентрация газа в жидкости, м3/м3;
– равновесная концентрация газа в жидкости при , м3/м3;
– акустическая мощность, Вт;
– коэффициент диффузии газа, м2/с;
– доля свободного газа в системе;
– время озвучивания, с;
– поверхностное натяжение на границе жидкости и газа, Н/м;
– эмпирические коэффициенты.
Анализ полученного выражения :
- эффективность акустического воздействия ограничивается предельным значением или пределом эффективности электрогазлифта;
- передел эффективности не зависит от мощности акустической волны, а последнее влияет на скорость достижения данного предела [5];
- передел эффективности обратно пропорционален частоте и плотности жидкости [13];
- предел эффективности зависит от относительной концентрации (n≥2) и обратно пропорционален отношению давления Р0/Рнас [8, 12]. А→0 при Р0→∞ и С0/Ср→0;
- предел эффективности зависит от изначальной газонасыщенности жидкости [9], вследствие распределения стабильных газовых пузырьков [1]. А→0 при С0→0;
- скорость достижения передела зависит от природы жидкости и газа выраженного через коэффициент диффузии D;
- скорость достижения предела зависит от количества свободного газа в жидкости (m≥2) вследствие большой диссипации акустической энергии при незначительном содержании последнего [4];
- скорость достижения предела обратно пропорциональна поверхностному натяжению между газовой фазой и жидкостью.
Анализ опубликованных работ показывает возможности приращения давления насыщения в углеводородных системах, приводящего к достаточно интенсивному разгазированию нефти с постепенным затуханием процесса (рисунок 2). Для реальных скважин для эффективности акустического разгазирования время релаксации должно кратно превышать время воздействия.
Таким образом, в рамках теоретических исследований определена допустимая область применения акустического разгазирования газонасыщенной жидкости применительно к условиям эксплуатации добывающих скважин (рисунок 3):
- минимальная глубина спуска акустического излучателя 
определяется наличием свободного газа в потоке скважиной продукции и определяется из предположения способности к большой диссипации акустической энергии пузырьками свободного газа (данное предположение основывается на теоретических выкладках, требуется проведение дополнительных экспериментальных исследований);
- максимальная глубина спуска акустического излучателя 
определяется эффективностью прироста давления насыщения скважиной жидкости в акустическом поле. Акустический излучатель может устанавливаться ниже данной границы при условии, что значение давления насыщения в процессе релаксации превысит значение давления в скважине, определяемое по кривым распределения давления (КРД в скважине), рассчитывается из равенства давления по известным методикам расчета КРД и прироста давления насыщения по формуле .
Алгоритм моделирования при определении интервала установки акустического излучателя в скважине:
1. Определяем КРД в работающей скважине без акустического воздействия (синяя кривая на рисунке 3).
2. Рассчитываем скорректированное давление в скважине с учетом параметра А по формуле : 
.
3. Рассчитываем глубину установки акустического излучателя, с учетом параметров работы скважины по данным базовой КРД:
где
– текущая глубина скважины,
– дебит скважины в м3/с;
– глубина установки акустического излучателя, м;
– количество отрезков длины, на которых происходит релаксация давления насыщения, при этом в интервале 
давление насыщения принимается величиной постоянной;
– внутренний диаметр трубы, м2;
t – время релаксации давления насыщения в минутах;
А, В – коэффициент прироста и релаксации соответственно.
4. Строим распределение давление насыщения кусочно-заданной функцией и давление насыщения с учетом акустического возмущения в интервале скважины, где установлен ультразвуковой излучатель (рисунок 4).
5. Определяем критерии эффективности 
– забойное давление при воздействии акустического поля, где 
– изначальное забойное давление без акустического воздействия. Глубина установки акустического излучателя по безразмерному параметру – относительная глубина
Апробация представленной физико-математической модели эксплуатации скважины при помощи электрического газлифта с применением средств акустического воздействия на газонасыщенную нефть осуществлена путем интеграции с расчетным модулем Unifloc VBA.
На рисунке 5 представлено графическое определение параметров акустического воздействия на газонасыщенную жидкость (нефть). На графике 5а представлена зависимость от глубины установки акустического излучателя. Для различных значений коэффициента В относительная глубина спуска излучателя будет характеризоваться оптимум: при 
или 
Оптимальная относительная глубина имеет линейный характер в зависимости от коэффициента В, наклон которой зависит от коэффициента А (штрихпунктирные кривые 
при постоянном технологическом режиме работы добывающей скважины. Максимальный эффект акустического воздействия можно наблюдать при В ≥~ 0,85. При В = 1 моделируется акустическое воздействие на скважинную продукцию без релаксации повышения давления насыщения для оптимальной глубины установки акустического излучателя (рисунок 5б).
На рисунке 6 представлены графики изменения безразмерного забойного давления при изменении технологических показателей работы добывающей скважины (дебит скважины (скорость потока жидкости), газонасыщенность и обводненность продукции) при активном акустическом воздействии на газонасыщенные среды.
Анализ результатов численного моделирования показывает, что на параметр эффективности акустического воздействия оказывает влияние скорость жидкости. При увеличении параметра А наблюдается сдвиг экстремальных точек кривых в область высоких скоростей потока, а при увеличении параметра В – сдвиг экстремальных точек кривых в левую область минимальных скоростей потока. При низких скоростях потока жидкости кривые графиков имеются точки перегиба, которые указывают на нижний предел скорости потока, после которого акустическое воздействие начинает влиять на работу скважины.
С увеличением газонасыщенности пластовой жидкости эффективность акустического воздействия возрастает. С увеличением обводненности скважинной продукции эффективность акустического воздействия снижается.
Узловой анализ (Nodal Analys) кривых притока и подъема скважинной продукции указывает на изменение кривой подъема при акустическом воздействии. Кривая подъема, смещаясь вниз относительно изначальной кривой, пересекает кривую притока № 1 (точки А0 до А5) в зависимости от параметров акустического воздействия (рисунок 7).
Определена способность продления режима фонтанирования скважины за счет акустического воздействия, например на рисунке 7 кривая 
не пересекает кривую притока № 2, т.е. на устье скважины отсутствует дебит. В зависимости от параметров воздействия акустического поля кривая подъема может лишь касаться линии притока № 2 (точка В0), так и запустить скважину в эксплуатацию (точки В1, В2, В3).
При воздействии акустического поля на скважинную жидкость изменяется кривая подъема, смещаясь вниз относительно изначальной кривой, а точка пересечения кривой притока № 1 смещается с точки А0 до А5 в зависимости от параметров акустического воздействия. Таким образом, можно зафиксировать прирост дебита скважины за счет принудительного разгазирования жидкости в акустическом поле, без учета изменения технологического режима работы скважины (рисунок 8а). При этом прирост давления тем выше, чем больше потенциал растворенного газа в жидкости (рисунок 8б).
Таким образом, расчеты показывают возможности продления режима фонтанирования скважины и увеличения дебита скважины в процессе разгазирования жидкости в подъемнике при помощи акустических методов воздействия на газонасыщенные среды. Однако для повышения точности физико-математической модели требуется проведение лабораторных исследований по уточнению коэффициентов А и В, в зависимости от параметров акустического поля, термобарических условий и физико-химических свойств скважинной жидкости и растворенного в ней газа.
Литература
1. Гаврилов Л.Р. Содержание свободного газа в жидкости и акустические методы его измерения // Акустический журнал. 1969. № 3 (15). C. 321–334.
2. Гарипов О.М., Гарипов М.Г. Ультразвуковой газлифтный способ добычи нефти // Нефтяное хозяйство. 1999. № 6. C. 36–39.
3. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта: Учебник для вузов по спец. «Технология и комплекс. механизация разраб. нефт. и газовых месторождений» / Ш.К. Гиматудинов, А.И. Ширковский, 3-е изд., перераб. и доп-е изд., Москва: Недра, 1982. 311 c.
4. Губайдуллин Д.А., Федоров Ю.В. Падение акустической волны на многослойную среду, содержащую слой пузырьковой жидкости // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2017. № 1. C. 109–116.
5. Капустина О.А. Дегазация жидкостей Кн. 3 Физические основы ультразвуковой технологии / под ред. Л.Д. Розенберг, Москва: Наука, 1970.C. 255–336.
6. Кожухарь Е.Д. Разработка нефтегазового сепаратора с ультразвуковой полкой // Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых. 2015. № 1.
7. Мирзаджанзаде А.Х. [и др.]. Эффект изменения давления насыщения пластовых жидкостей при акустическом воздействии // Нефтяное хозяйство. 1974. № 2. C. 48–49.
8. Рой Н.А. Возникновение и протекание ультразвуковой кавитаций // Акустический журнал. 1957. № 1 (3). C. 3–18.
9. Степанова Г.С. [и др.]. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс разгазирования нефти // Бурение и нефть. 2003. № 7–8.
10. Федотов Д.П. Разработка технологии дегазации жидкой серы, 2010.
11. Hanchak M. The ultrasonic degassing of jet fuel to reduce deposition, 1995.
12. Lindstrom O. Physico‐Chemical Aspects of Chemically Active Ultrasonic Cavitation in Aqueous Solutions // The Journal of the Acoustical Society of America. 1955. № 4 (27). C. 654–671.
13. Rognerud M. E. [и др.]. How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound // Journal of Physics: Conference Series. 2020. № 1 (1608). C. 012004.
14. Verbitsky V. S. [и др.]. Optimization of Oil Production Wells Flowing Mode by Ultrasonic and Induction Systems (Russian) Virtual: Society of Petroleum Engineers, 2020.
