Способ газотермогидродинамического воздействия на призабойную зону пласта

 

Изобретение относится к добыче нефти и может быть использовано для повышения дебита нефти путем физико-химического воздействия на призабойную зону пласта (ПЗП) на основе рационального использования энергии горючих материалов (ГМ) при их сгорании в скважине. Обеспечивается повышение эффективности воздействия на призабойную зону пласта за счет более полного использования энергии, выделяемой при сгорании горючего материала. Сущность изобретения: по способу осуществляют спуск и сжигание в интервале перфорации заряда горючего материала. Согласно изобретению перед спуском заряда в призабойную зону пласта закачивают холодный раствор поверхностно-активного вещества. Затем закачивают холодную жидкость с повышенной вязкостью. Заполняют ствол скважины в интервале перфорации маловязкой жидкостью с высокой температурой кипения и высокой теплоемкостью. Выше интервала перфорации скважину заполняют тяжелой жидкостью. После сжигания заряда горючего материала в момент минимального давления в образующейся газовой полости осуществляют имплозионное воздействие с помощью имплозионной камеры. Ее устанавливают в нижней части интервала перфорации, с впускным клапаном выше нижних отверстий перфорации.

Изобретение относится к добыче нефти через нефтяные скважины, а именно к методам физико-химического воздействия на призабойную зону пласта на основе использования энергии горючих материалов при их сгорании в скважине.

Известен способ перфорации и обработки призабойной зоны скважины и устройство для его осуществления (Пат. РФ 2162514, Е 21 В 43/117, 43/18, 43/25, 43/26), включающий перфорацию скважины корпусным кумулятивным перфоратором, имплозионное воздействие, термогазовоздействие струями газа, направленными в перфорационные отверстия.

Способ недостаточно эффективно использует развиваемое давление, так как разрыв пласта осуществляется газом. При этом из-за низкой вязкости газа энергия его в большей части расходуется на фильтрацию в пласте с быстрым подъемом давления в призабойной зоне, тогда как для гидроразрыва важен высокий градиент давления.

Известен способ перфорации и обработки призабойной зоны скважины и устройство для его осуществления (Пат. РФ 2178065, Е 21 В 43/117, 43/263), включающий перфорацию скважины, имплозионное воздействие, термогазовое воздействие струями газа термогазогенератора, направленными в перфорационные каналы, повторное имплозионное воздействие в момент окончания работы термогазогенератора с помощью имплозионной камеры, расположенной выше интервала пласта.

Недостатком способа является то, что трещины образуют газами высокого давления и парами перегретой жидкости в процессе ее вскипания при фазовом взрыве.

Наиболее близким к заявленному по технической сущности (прототипом) является способ газогидравлического воздействия на пласт (Пат. РФ 2183741, Е 21 В 43/263, 2002 г.), включающий сборку бескорпусного секционного заряда, изготовленного из составов, обеспечивающих горение в жидких средах с образованием газообразных продуктов горения, повышение давления и температуры, осуществление контроля горения зарядов и регистрацию характеристик режима работы зарядов с целью создания в пласте трещин.

Недостатком способа является неполное использование энергии горючего материла.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности воздействия на призабойную зону пласта за счет более полного использования энергии, выделяемой при сгорании горючего материла (ГМ).

Поставленная задача решается тем, что в способе газотермогидродинамического воздействия на призабойную зону пласта, включающем спуск и сжигание в интервале перфорации заряда горючего материала, согласно изобретению перед спуском заряда в призабойную зону пласта закачивают холодный водный раствор поверхностно-активного вещества, затем холодную жидкость с повышенной вязкостью, заполняют ствол скважины в интервале перфорации маловязкой жидкостью с высокой температурой кипения и высокой теплоемкостью, выше интервала перфорации скважину заполняют тяжелой жидкостью, а после сжигания заряда горючего материала в момент минимального давления в образующейся газовой полости осуществляют имплозионное воздействие с помощью имплозионной камеры, установленной в нижней части интервала перфорации, с впускным клапаном выше нижних отверстий перфорации.

При сжигании ГМ в жидкой среде образуется газовая полость (ГП), состоящая из продуктов сгорания и паров жидкости. При этом потенциальная энергия ГМ переходит в следующие виды энергии: Е=Е_у+Е_к+Е_п+Е_т+Е_ф+Е_г+Е_пр, (1) где Е_у - энергия ударной волны в жидкости, часть которой направлена через перфорационные отверстия на коллектор и образует в нем трещины, вследствие создания высоких градиентов напряжения сжатия и растяжения в "скелете" коллектора; E_к, E_п - увеличение соответственно кинетической и потенциальной энергии столба жидкости над ГП; Е_ф - энергия, расходуемая на фильтрацию жидкости в призабойной зоне пласта; Е_т - тепловая энергия газа; Е_пр - энергия, расходуемая на парообразование в жидкости; Е_г - потенциальная энергия сжатия газа в ГП.

Энергия ударной волны Е_у вызывает в коллекторе переменное напряжение сжатия и растяжения, приводящее к появлению разрывных макро- и микротрещин. Величина Е_у зависит от импульса давления, определяемого потенциальной энергией ГМ, а также силой инерции и весом столба жидкости в стволе скважины. Таким образом, чтобы повысить Е_у, необходимо увеличить массу столба жидкости в скважине. Для повышения эффективности трещинообразования при прохождении ударной волны важно предварительно снизить прочность породы, используя, например, расклинивающую способность молекул поверхностно-активного вещества (эффект Ребиндера), закачав в призабойную зону пласта раствор ПАВ. Следующий фактор, влияющий на трещинообразование - это энергия давления газа в ГП (Е_г). Давление ГП передается жидкости, фильтруемой в пласт. Возникающий при этом градиент давления вызывает появление напряжений в скелете коллектора, которые при достижении предела прочности приводят к трещинообразованию. Известно, что вертикальные трещины образуются при относительно меньших градиентах давления. Поэтому для получения макротрещины, распространяющийся по толщине пласта по обе стороны от скважины на значительное расстояние, перфорацию эксплуатационной колонны необходимо осуществлять вдоль двух вертикальных образующих эксплуатационной колонны, расположенных симметрично оси скважины. Аналогично рабочим жидкостям при обычном гидроразрыве фильтруемая под высоким давлением жидкость должна иметь повышенную вязкость (10. . . 50 сП) и, тем самым, низкую фильтруемость в пласте. Это является одним из важных условий получения в пласте высоких градиентов давления. Одновременно низкая фильтруемость жидкости, насыщающей призабойную зону, позволяет снизить энергию (Е_г) на фильтрацию жидкости и тем самым повысить другие составляющие энергии горения ГМ. Значительную долю в получаемой энергии составляет тепловая энергия газа (Е_г). Эта энергия может быть использована для получения микротрещин с нарушением сплошности матриц породы вдоль макротрещин путем получения в породе высоких температурных напряжений. Для этого в пласте создается высокий температурный градиент при фильтрации жидкости с высокой температурой. Высокая температура обеспечивается подбором жидкости с высокой температурой кипения в пластовых условиях (300. . .350^oС). Для того чтобы этот температурный градиент вызвать на значительной площади, жидкость должна обладать высокой теплоемкостью (0,7... 1,0 кал/гград) и низкой вязкостью (~1 сП) для быстрой фильтрации в пласт. Температурный градиент можно повысить, предварительно охладив призабойную зону пласта закачкой холодной воды с температурой в несколько раз ниже пластовой. Высокая температура кипения позволяет также снизить затраты энергии на парообразование Е_пр, малоэффективное при гидроразрыве. Значительная часть энергии ГМ тратится на повышение потенциальной энергии столба жидкости в скважине при его перемещении вверх при образовании ГП. При достижении максимальной величины потенциальная энергия столба жидкости начинает переходить в кинетическую энергию, которая в конечном итоге при прекращении падения жидкости вниз переходит в энергию сжатия ГП, вызывая повторное воздействие на пласт высоким давлением.

Рассмотрим этот процесс подробнее.

Для условия достижения столбом жидкости максимальной высоты можно записать следующее равенство: Е_т+РV=Р'V'+Е'_п+Е'_т, (2) где Е_т - тепловая энергия газового пузыря в момент полного сгорания ГМ;
Р, V - соответственно давление и объем газовой полости, остающейся в стволе скважины в момент полного сгорания ГМ;
P', V' - соответственно давление и объем газовой полости при достижении столбом жидкости максимальной потенциальной энергии;
Е'_п - приращение потенциальной энергии столба жидкости в результате горения ТМ;
Е'_т - тепловая энергия ГП при максимальной потенциальной энергии столба жидкости.

Если пренебречь потерями энергии на трение при движении столба жидкости вверх и вниз, то правая и левая части уравнения взаимообратимы при подъеме и опускании жидкости в процессе воздействия. Рассмотрим следующий случай. Если при достижении максимальной потенциальной энергии, т.е. при минимальном давлении в ГП, отобрать часть газа в герметичную емкость (имплозионная камера), то уравнение для баланса энергии после остановки движения столба жидкости вниз будет иметь вид
E_t+PV=Р''V''+E''_t+E_и, (3)
где P'', V'' - соответственно давление и объем ГП при самом низком положении столба жидкости;
Е''_t - тепловая энергия ГП;
Е_и - энергия газа в имплозионной камере.

Отсюда

Учитывая, что V''<V, Е''_t+E_и<<Е, можно заключить, что Р''>Р. Таким образом, отбор газа в момент наименьшего давления в ГП в герметичную имплозионную камеру позволяет повысить давление на забое скважины в момент максимального сжатия ГП, т.е. максимально использовать потенциальную энергию столба жидкости для получения повторной ударной волны.

Способ осуществляют следующим образом. В скважину, перфорированную кумулятивно или механически, в призабойную зону пласта закачивают оторочку раствора ПАВ в холодной воде с температурой в несколько раз ниже пластовой, затем оторочку холодной жидкости с повышенной вязкостью (10...50 сП). Ствол скважины в интервале перфорации заполняют жидкостью с высокой температурой кипения в пластовых условиях (более 300^oС), высокой теплоемкостью (0,7...1,0 кал/гград) и низкой вязкостью. В качестве раствора ПАВ могут быть использованы растворы любых поверхностно-активных веществ, например ОП-10 с концентрацией 0,05. . .0,1%. В качестве холодной воды используется охлажденная сточная вода. В качестве жидкости с повышенной вязкостью могут быть использованы растворы полимеров в сточной воде, например полиакриламида F40NT (1,5%). Для заполнения ствола скважины в интервале перфорации применяют жидкость с высокой температурой кипения в пластовых условиях, высокой теплоемкостью и низкой вязкостью, например опресненная вода или раствор хлористого кальция в пресной воде. Выше интервала перфорации скважину заполняют жидкостью с высоким удельным весом (например, сточной водой с удельным весом 1190. . . 1200 кг/м³ или насыщенным раствором СаCl₂ с удельным весом 1300 кг/м³), оставляя свободным в верхней части объем эксплуатационной колонны, равный максимальному объему образующегося после сгорания горючих материалов (ГМ) газовой полости. В скважину спускают гирлянду ГМ (например, поровых зарядов) и имплозионную камеру таким образом, что гирлянду ГМ устанавливают в интервале перфорации, а имплозионную камеру - в нижней части интервала перфорации с впускным клапаном выше нижних отверстий перфорации.

Осуществляют поджиг ГМ. Вследствие высокой температуры кипения жидкости в интервале перфорации на парообразование расходуется минимальное количество энергии, что позволяет максимально увеличить температуру жидкости. Ударная волна через жидкость с повышенной вязкостью вызывает знакопеременные напряжения на скелете коллектора, что приводит к его разрушению в ослабленных местах. Высокое давление в газовой полости через жидкость повышенной вязкости создает высокий градиент давления вследствие низкой фильтруемости жидкости. Это давление превышает давление трещинообразования, а продолжительность воздействия, определяемая массой столба жидкости в эксплуатационной колонне, превышает время релаксации породы, что приводит к образованию вертикальной, как наименее энергоемкой, трещины. С увеличением объема трещины под действием давления жидкость с повышенной вязкостью фильтруется вглубь пласта по пути трещинообразования, за ней фильтруется менее вязкая жидкость с высокой температурой кипения и высокой теплопроводностью. Так как коллектор предварительно был охлажден закачкой холодной воды и холодной вязкой жидкости, а прочность породы ослаблена адгезией молекул ПАВ на поверхности микротрещин, то при фильтрации жидкости с высокой температурой, высокой теплопроводностью и низкой вязкостью удается быстро и на большом радиусе от забоя скважины создать в коллекторе высокие температурные напряжения, которые, разрушая коллектор по микротрещинам, заполняют макротрещину обломочным материалом, препятствующим ее смыканию с сохранением ее проницаемости. Тепловая энергия и энергия давления газовой полости переходят постепенно в потенциальную энергию столба жидкости. В момент достижения столбом жидкости максимальной высоты, т.е. при минимальном давлении в газовой полости, открывается впускной клапан имплозионной камеры, куда отбирается часть газа из газовой полости, и закрывается при увеличении давления в газовой полости на 0,5... 10 атм. По мере движения столба жидкости вниз давление в газовой полости быстро растет, достигая максимальной величины при прекращении движения, что вызывает повторную ударную волну, способствующую углублению образовавшейся вертикальной макротрещины.

Пример осуществления способа.

В скважину 515 Юсуповской площади Арланского месторождения с интервалом перфорации 1310...1320 м и дебитом жидкости 9 ³/сут закачали 16 м³ холодной воды с температурой 2...3^oС и с содержанием ПАВ ОП-10 0,05%, затем 2 м³ холодной (2. . .3^oС) воды с содержанием полиакриламида F40NT 1,5%, после чего интервал перфорации заполнили пресной водой 0,16 м³, выше интервала перфорации до глубины 50 м от устья ствол скважины заполнили сточной минерализованной водой плотностью 1190 кг/м³. В скважину спустили гирлянду ГМ и дистанционно управляемую имплозионную камеру объемом 100 л. Впускной клапан установили на глубине 1318 м. Осуществили поджог ГМ. При достижении минимального давления в газовой полости открыли входной клапан имплозионной камеры. После выравнивания давления в имплозионной камере и в ГП при значении, превышающем минимальное на 1 атм, закрыли входной клапан, что позволило повторно в интервале перфорации получить импульс давления выше первоначального импульса. Гидродинамические исследования после стабилизации дебита скважины показали, что полудлина трещины достигает 25...30 м, дебит скважины возрос в 2,5 раза и достиг 22 м³/сут.

Заявляемый способ прост и технологичен, применяется имеющееся на промыслах оборудование и реагент. Способ позволяет рационально использовать энергию сгорания горючего материала, повысить эффективность воздействия на продуктивный интервал пласта, не нарушая целостности обсадной колонны и цементного камня. В результате улучшения гидродинамической связи скважины с пластом при использовании способа увеличивается коэффициент продуктивности скважины, растет дебит нефти.

Формула изобретения

Способ газотермогидродинамического воздействия на призабойную зону пласта, включающий спуск и сжигание в интервале перфорации заряда горючего материала, отличающийся тем, что перед спуском заряда в призабойную зону пласта закачивают холодный водный раствор поверхностно-активного вещества, затем холодную жидкость с повышенной вязкостью, заполняют ствол скважины в интервале перфорации маловязкой жидкостью с высокой температурой кипения и высокой теплоемкостью, выше интервала перфорации скважину заполняют тяжелой жидкостью, а после сжигания заряда горючего материала в момент минимального давления в образующейся газовой полости осуществляют имплозионное воздействие с помощью имплозионной камеры, установленной в нижней части интервала перфорации, с впускным клапаном выше нижних отверстий перфорации.