Устройство для воздействия на призабойную зону

Полезная модель относится к средствам генерирования сейсмической энергии в нефтеносных пластах. Устройство содержит накопительный конденсатор, электроды, замкнутые металлической проволокой с площадью поперечного сечения от 0,1 мм² до 0,9 мм². Подают на электроды импульсы напряжения величиной от 2,6 кВ до 4,3 кВ через промежутки времени от 20 сек до 70 сек, обеспечивают тем самым взрыв проволоки и формирование импульса давления в гидросреде, при этом расстояние между электродами составляет от 11 мм до 60 мм. Технический результат: возникновение резонансных явлений в элементах системы «скважина - призабойная зона - пласты», упрощение, повышение безопасности и эффективности добычи при минимальном влиянии на экологию.

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к средствам генерирования сейсмической энергии, например, упругих колебаний в нефтеносных пластах, в частности к скважинным источникам сейсмической энергии для воздействия на призабойную зону скважин и нефтенасыщенные пласты при добыче углеводородов, например, нефти.

Уровень техники

Из уровня техники известно большое количество средств для повышения притока в скважине.

Из уровня техники известно устройство для воздействия на призабойную зону скважины, путем создания депрессионно-репресионных импульсов давления гидросреды (RU 2276722 С1, опубликовано 20.05.2006). Недостатком является сложность и ограниченные возможности.

В качестве наиболее близкого аналога устройства выбран известный скважинный источник сейсмической энергии, содержащий корпус, узел

высоковольтного электрода, узел низковольтного электрода, узел разрядника, включающий источник электрического разряда, (SU 247530 A, G01V 1/02, опубликован 04.11.1969). Данный разрядник не приспособлен для создания воздействия с необходимыми параметрами.

Раскрытие сущности полезной модели

Настоящей полезной моделью решается задача вызова притока (повышения дебита) в скважину на стадии добычи, обеспечивающего быстрый и с наименьшими трудозатратами выход скважины на максимальные показатели добычи.

В ходе решения данной задачи обеспечивается достижение следующей совокупности технических результатов: возникновение резонансных явлений в элементах системы «скважина - призабойная зона - пласты», обеспечивающих освобождение поровых каналов призабойной зоны и перфорационных отверстий от кольматирующих веществ и наведение в пластах волновой картины, обеспечивающей повышение дебита по всей мощности пласта; улучшение фильтрационных свойств призабойной зоны; упрощение, повышение безопасности и эффективности добычи при минимальном влиянии на экологию.

Указанные технические результаты достигаются тем, что устройство для воздействия на призабойную зону (скважинный источник сейсмической энергии) содержит корпус, высоковольтный электрод, низковольтный электрод, источник электрического разряда, механизм подачи металлической проволоки, металлическая проволока имеет площадь поперечного сечения от 0,1 мм² до 0,9 мм² , источник электрического разряда обеспечивает подачу на электроды импульсов напряжения величиной от 2,6 кВ до 4,3 кВ через промежутки времени от 20 секунд до 70 секунд, при этом расстояние между высоковольтным и низковольтным электродами составляет от 11 мм до 60 мм.

Отличительной чертой предложенного устройства является обеспечение формирования направленных импульсов давления с избыточным давлением на переднем фронте, значительно превышающим пластовое давление, при этом импульсы имеют оптимальные динамические и энергетические параметры, необходимые для реализации указанной выше совокупности технических результатов.

Перечень фигур чертежей

На ФИГ.1 схематично представлен излучатель источника электрогидроимпульсного разряда на этапе замыкания электродов металлической проволокой, расположенного напротив закольматированого перфорационного канала.

На ФИГ.2 схематично представлен излучатель источника электрогидроимпульсного разряда на этапе инициации взрыва, приводящего к образованию плазмы.

На ФИГ.3 схематично представлен излучатель источника электрогидроимпульсного разряда на этапе формирования ударной волны с избыточным давлением на переднем фронте за счет расширяющейся плазмы, которая через перфорационный канал проникает в призабойную зону и далее в пласт.

На ФИГ.4 схематично представлен излучатель источника электрогидроимпульсного разряда на этапе сжатия и охлаждения плазмы, что приводит к выносу кольматанта в ствол скважины и очистке перфорационных каналов и увеличению проницаемости продуктивного пласта.

На ФИГ.5 схематично представлена конструкция скважинного источника сейсмической энергии.

На ФИГ.6 представлена схема для определения скважности.

На ФИГ.7 и ФИГ.8 представлены графики, показывающие динамику изменения параметров скважины на стадии эксплуатации после применения способа и устройства.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели

Нефтяная залежь в коллекторе слоиста и по кинетическим свойствам представляет собой модуль объемной упругости, а по акустическим свойствам - совокупность колебательных систем, где при импульсном воздействии распространяются как продольные, так и поперечные (сдвиговые) волны.

Поле упругих колебаний определяется направляющими свойствами коллектора, а его затухание - резонансными свойствами коллектора.

При импульсном воздействии возникает целый набор собственных частот в многослойной среде.

Так как коллектор нефтяной залежи представляет собой анизотропное тело, модуль продольной упругости и модуль сдвига принимают различные значения в различных направлениях, и величины их могут меняться в широких пределах.

Вдоль слоев-резонаторов распространяется не исходный сигнал (импульс), а вызванный им собственный колебательный процесс, при этом каждому слою-резонатору соответствует своя частота.

Важнейшим результатом кинетического воздействия является учет взаимодействия ударной волны с группой так называемых резонансных частиц, скорость которых совпадает со скоростью распространения волны.

Появляется эффект резонансной турболезации, каветации, происходит преобразование волновых колебательных движений жидкости в монотонные односторонние направленные движения, а также волновые эффекты пространственного сдвига в высоковязких средах. При возбуждении волновых

полей в обрабатываемом объеме происходит как циркуляция, так и ликвидация застойных зон.

По совокупности геологических, геофизических, гидродинамических, гидромеханических и других факторов призабойная зона скважины при различных технологиях первичного и вторичного вскрытия пластов имеет общие характеристики по структуре кольматирующих веществ.

Задача повышения дебита скважины на стадии эксплуатации имеет значительные отличия от, например, мероприятий по увеличению дебита скважины на стадии освоения. По совокупности гидрологических, геофизических и других факторов, стадия эксплуатации скважины имеет существенные особенности вследствие закономерностей формирования призабойной зоны скважины, например, по сравнению с состояниями скважины, возникающими в процессе ее формирования. Существенно отличаются геофизические состояния призабойной зоны (фильтрационные свойства и т.д.), деформационные процессы, проницаемость скважины, структура и реологические свойства кольматанта и т.д.

Настоящая полезная модель решает задачу декольматации перфорационных каналов призабойной зоны скважины с различными геологическими особенностями коллектора нефтяной залежи без добавления в скважину химических реагентов и вызова притока жидкости в скважину по всей мощности рабочего интервала. Одновременно устройство производит эффективную резонансную накачку энергией продуктивных пластов, что приводит к увеличению их проницаемости.

Настоящая полезная модель решает поставленную задачу путем создания в полости скважины направленных репрессионно-депрессионных упругих волн за счет плазменно-импульсного разряда.

Целью и результатом настоящей полезной модели является создание в полости скважины последовательности упруго-волновых процессов, обеспечивающих возникновение резонансных явлений как в призабойной зоне, так и в более удаленных участках пластов. Физическая сущность процесса

добычи углеводородов настолько сложна, что не представляется возможным осуществить адекватное математическое моделирование упруго-деформационной системы «призабойная зона - скважина - геологические пласты» для определения динамических свойств и произведения расчетов колебательных процессов в этой системе.

Как известно из теории колебаний и волновых процессов, возникающая в системе упруго-волновая картина определяется главным образом следующими показателями:

- колебательными, т.е. динамическими свойствами самой системы (инерционные, упругие, диссипативные свойства, реологические характеристики среды и т.д.)

- параметрами возбуждающих воздействий (интенсивность, частота, месторасположение источника и т.д.).

Динамические свойства системы «призабойная зона - скважина - геологические пласты» на стадии эксплуатации имеют существенные отличия от динамических свойств этой системы, но находящей на стадии освоения. Так, например, существенно различаются деформации и напряжения. Загрязнение призабойной зоны на стадии освоения обусловлено прежде всего наличием механических частиц, содержащихся в жидкостях вскрытия и освоения с их последующим разбуханием, обломков породы, частиц цементирующего вещества или скелета породы. Все это существенно отличает, например, задачу очистки призабойной зоны на стадии освоения от очистки на стадии эксплуатации, когда основным загрязнением является намывной кольматант.

Сложность решения резонансных задач для такой неоднородной геофизической системы, которую составляют скважина, призабойная зона, пласты и т.д., обусловлена также наличием вторичных волновых и колебательных процессов (рефлекторные волны, т.е. волны отраженные от границ раздела пластов и призабойной зоны, наведенные волны и колебания в отдельных элементах системы, парциальные резонансы и т.д.).

Любая задача, решение которой связано с созданием в системе резонансных волновых или колебательных процессов, является крайне сложной. Далеко не любые воздействия на упруго-инерционную систему могут вызвать резонансные явления. Параметры воздействия могут быть подобраны настолько неудачно, что будет иметь место не резонанс, а антирезонанс, т.е. ситуация, когда волновой или колебательный процесс, инициированный последующим воздействием, гасит волновой или колебательный процесс, созданный предыдущим воздействием.

Предложенное решение в соответствии с настоящей полезной моделью состоит в обеспечении оптимальных параметров возбуждающих воздействий (интенсивность, частота, месторасположение источника и т.д.), инициирующих упруго-волновые и колебательные процессы в полости скважины, распространение которых в призабойную зону и геологические пласты вызовет повышение дебита, очистку призабойной зоны и перфорационных отверстий и улучшение фильтрационных свойств призабойной зоны.

Инициирующее воздействие характеризуется следующими параметрами:

- интенсивность импульсного воздействия (энергия импульса)

- частота импульсов

- месторасположение эпицентра импульсного воздействия.

Результат может быть достигнут только определением оптимального сочетания всех указанных параметров. Необходимость взаимосвязанного определения интенсивности воздействия и частоты возбуждающих импульсов объясняется нелинейными динамическими свойствами системы «призабойная зона - скважина - геологические пласты».

Энергетические параметры инициирующего воздействия находятся во взаимосвязи с частотой следования импульсов. Опытным путем установлено, что оптимальной является энергия импульса от 15 МВт до 25 МВт. При меньшем значении не происходит создания волнового процесса с необходимыми параметрами. Импульс с большей энергией вызывает слишком интенсивную отраженную от стенок скважины волну, которая гасит последующую

инициированную волну. Оптимальный диапазон значений энергии импульса достигается указанными диапазонами параметров, характеризующих поперечный размер проволоки и подаваемое на электроды напряжение. Если использовать проволоку с площадью поперечного сечения менее 0,1 мм², плазменный канал между электродами, возникающий после ее взрыва, не позволит замкнуть электроды на необходимое время для того, чтобы выделилась запасенная в накопителе электрическая энергия. Использование проволоки с площадью поперечного сечения большей 0,9 мм ² потребует подачи большего напряжения, что приведет к увеличению размеров всего устройства.

Импульсы подают через промежутки времени от 20 сек до 70 сек. Данный признак характеризует динамические показатели инициирующего воздействия. Импульсы могут подаваться через равные промежутки времени, например три раза в минуту, либо через различные промежутки времени. Последний вариант наиболее эффективен для адаптивных систем, т.е. снабженных средствами измерения параметров гидросреды в полости скважины (давления и т.д.) с тем, чтобы управлять моментами подачи импульсов в зависимости от ситуации. При более частой подаче импульсов накладывающиеся друг на друга волны не позволят эффективно вызвать резонирование элементов системы. При более редкой подаче возбуждающих импульсов невозможно обеспечить наложение, т.е. усиление последующей волной предыдущей волны, вследствие быстрого затухания.

Важным параметром является также скважность подаваемых импульсов. Как известно под скважностью понимают отношение периода Т подачи импульсов к длительности t самого импульса (см. ФИГ.6). В соответствии с настоящей полезной моделью скважность характеризует отношение промежутка Т времени между импульсами к продолжительности t импульса. Скважность является безразмерным параметром и его значение должно составлять от 10⁵ до 10 ⁶. При значении меньшем 10⁵ волны идут слишком редко, а призначении выше 10⁶ слишком часто для обеспечения резонирования системы «призабойная зона - скважина - геологические пласты».

Таким образом, подача импульсов напряжения с указанными параметрами вызывает взрыв проволоки, образование ионо-плазменного канала между электродами и зоны повышенного давления в гидросреде, которая, распространяясь формирует упруго-волновой процесс в полости скважины, призабойной зоне и пластах. Количество импульсов, необходимых для обработки призабойной зоны, т.е. длительность обработки, определяется в каждом случае отдельно в зависимости от промежуточных результатов обработки.

Далее приводится описание способов применения скважинного источника.

В зависимости от глубины пласта для создания волнового фронта по всей его мощности, необходимо перемещать источник гидроимпульсов вдоль скважины. Обычно целесообразно перемещение снизу вверх. Однако в ряде особых случаев оптимально перемещать источник сверху вниз. При формировании импульсов обеспечивают перемещение источника на расстояние от 300 мм до 1000 мм. Перемещение может производиться как с постоянным шагом, так и на различные расстояния в зависимости от ситуации. Перемещение менее 300 мм нецелесообразно вследствие незначительного изменения положения источника. При перемещении источника более 1000 мм возможно появление теневых зон в призабойной зоне, что снизит эффективность способа. Данный вариант способа предполагает, что импульсы формируются неподвижным источником, который затем перемещается на указанное расстояние.

Для уменьшения времени воздействия формирование импульсов давления в гидросреде можно обеспечить в процессе перемещения источника электрогидроимпульсного разряда в полости скважины со скоростью от 270 мм/с до 600 мм/с. В этом случае источник непрерывно перемещается вдоль скважины, а импульсы формируются в процессе перемещения источника.

Параметры перемещения скважинного источника внутри скважины не являются конструктивными параметрами собственно источника, поскольку

зависят от дополнительного оборудования (подъемники и т.д.), с которыми взаимодействует источник.

Таким образом, оптимальный диапазон значений энергии импульса достигается в рамках указанных основных параметров, характеризующих поперечное сечение проволоки, расстояние между электродами, подаваемое на электроды напряжение и промежутки времени формирования импульсов.

Подача импульсов напряжения с указанными параметрами вызывает взрыв проволоки, образование плазмы между электродами и зоны избыточного давления в гидросреде, которая, распространяясь, формирует упруго-волновой процесс в призабойной зоне и пластах. Количество инициируемых импульсов, т.е. длительность обработки, определяется в каждом случае отдельно в зависимости от геологических особенностей залежи и глубины залегания пластов, а также скорости распространения упругих волн в породах.

Скорость распространения упругих волн в породах характеризуется следующими значениями (м/с):

породы

Глинистые, песчаные и карбонатные породы характеризуются промежуточными скоростями распространения упругих волн. Пористость пород способствует снижению, а их сцементированность - возрастанию скорости распространения упругих волн.

Модуль упругости горных пород (Е) по мере увеличения глубины залегания возрастает, при этом наибольшее влияние на модуль упругости

оказывает минералогический состав, структура, температура, условия залегания, природа жидкости, заполняющая поровые каналы.

Повышение песчанистости приведет к увеличению Е породы. При увеличении карбонатности осадочных горных пород модуль упругости возрастает. При прочих равных условиях модуль упругости мелкозернистых пород имеет более высокие показатели упругости, чем крупнозернистые. Модули упругости для горных пород имеют следующие значения:

Скважинный источник сейсмической энергии для воздействия на призабойную зону скважины на стадии освоения, как схематически показано на ФИГ.5, содержит корпус 1, высоковольтный электрод 2, низковольтный электрод 3, источник 4 электрического разряда, механизм 5 подачи металлической проволоки. Металлическая проволока 6 имеет площадь поперечного сечения от 0,1 мм ² до 0,9 мм². Источник 4 электрического разряда обеспечивает подачу на электроды 2 и 3 импульсов напряжения величиной от 2,6 кВ до 4,3 кВ через промежутки времени от 20 секунд до 70 секунд, при этом расстояние L между высоковольтным 2 и низковольтным 3 электродами составляет от 11 мм до 60 мм. Электрические компоненты источника не составляют предмет данной полезной модели и могут быть выполнены любым известным образом, например так, как это описано в источниках, указанных в разделе «уровень техники» настоящего описания.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от расстояния между электродами, диаметра и формы сечения проволоки в расчетные промежутки времени, на замкнутые металлической проволокой 6 электроды 2 и 3 (ФИГ.1) подается напряжение от 2,1 кВ до 4,3 кВ через промежутки времени от 20 секунд до 70 секунд. В результате этого инициируется взрыв проволоки 6, приводящий к образованию плазмы (ФИГ.2), расширяющаяся плазма формирует ударную волну с избыточным давлением на переднем фронте, значительно превышающим пластовое давление (ФИГ.3), переходящую в призабойной зоне и в залежи в целом в ряд последовательных упругих колебаний. Сжатие и охлаждение плазмы приводит к выносу кольматанта в ствол скважины, что приводит к очистке перфорационных каналов и значительному увеличению проницаемости продуктивного пласта (ФИГ.4). Излучатель источника электрогидроимпульсного разряда, создавая импульсы с избыточным давлением в гидросреде, перемещается вдоль рабочего интервала перфорации с заданным шагом или заданной скоростью в зависимости от мощности нефтяного пласта и геологических особенностей скважины.

Примеры применения скважинного источника.

Пример 1. Используют источник электрогидроимпульсного разряда, с проволокой с 0,7 мм². Напряжение на электродах 3,8 кВ. Последовательность импульсов подается через равные промежутки времени 60 сек. Скважность подачи импульсов 350000. Изменение параметров скважины после обработки показаны на ФИГ.7.

Пример 2. Используют источник электрогидроимпульсного разряда, с проволокой с 0,9 мм². Напряжение на электродах 4,3 кВ. Последовательность импульсов подается через равные промежутки времени 25 сек. Скважность подачи импульсов 410000. Импульсы подавали сериями по 7 импульсов. После каждой серии источник перемещают на расстояние 600 мм. Изменение параметров скважины после обработки показаны на ФИГ.8.

Пример 3. Используют источник электрогидроимпульсного разряда, с проволокой с 0,15 мм². Напряжение на электродах 2,8 кВ. Последовательность импульсов подается через равные промежутки времени 30 сек. Скважность подачи импульсов 510000. Импульсы подавали сериями по 10 импульсов. Источник перемещается в полости скважины со скоростью 500 мм/с.

Устройство для воздействия на призабойную зону, содержащее корпус, высоковольтный электрод, низковольтный электрод, источник электрического разряда, механизм подачи металлической проволоки, отличающееся тем, что металлическая проволока имеет площадь поперечного сечения от 0,1 до 0,9 мм², источник электрического разряда обеспечивает подачу на электроды импульсов напряжения величиной от 2,6 до 4,3 кВ через промежутки времени от 20 до 70 с, при этом расстояние между высоковольтным и низковольтным электродами составляет от 11 до 60 мм.