СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДОБЫЧИ НЕФТИ В НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИНАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
PRODUCTION SIMULATION METHOD IN OIL WELLS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, преимущественно к добыче вязкой и сверхвязкой нефти, а также может быть использовано для интенсификации добычи нефти, осложненной вязкими составляющими и отложениями, для повышения производительности и уменьшения обводнения малодебитных скважин с целью исключения их вывода из эксплуатации.
Уровень техники.
Известно большое количество способов интенсификации добычи для указанной выше области применения, в которых используются различные методы физических воздействий для увеличения притока нефти в добывающих скважинах, однако здесь рассмотрены те из них, в которых воздействия потенциально могут влиять не только на призабойную зону пласта, но и на сам пласт или даже на всю продуктивную залежь.
Большинство из них используют тепловую и волновую энергию от разнообразных источников.
Известна волновая обработка скважин, охватывающая целый пласт, в котором излучатель волновой энергии устанавливается в одну из скважин, и с его помощью осуществляется накачка волновой вибромеханической энергии в пласт. Недостатком этого способа является то, что он по принципу получения волновой энергии критичен к выбору скважины кандидата (требуется, чтобы вокруг не было препятствия для распространения волн), а также отсутствие или слабый термический эффект (Кузнецов Р.Ю. Строительство и эксплуатация нефтяных и газовых скважин открытым забоем с использованием волновых технологий: проблемы, теоретические решения, промысловый опыт. Уфа: автореферат диссертации доктора технических наук. Уфа, 2010. 53 с.).
Для интенсификации добычи высоковязкой и битуминозной нефти необходимо совмещение и термического, и волнового механического воздействия, как, например, в способе, в котором используется и вибромеханический, и тепловой эффект с помощью пароциклической обработки с площадной закачкой пара в сочетании с волновым акустическим воздействием, например, с частотой ультразвука (Месторождения высоковязких нефтей и битумов Тимано-Печерской провинции и перспективы их освоения с использованием современных комплексных технологий. Материалы 8-й Межрегиональной геологической конференции. 17-18 ноября 2010 г. Редкол. А.М. Шаммазов и др. Науч. ред. и сост. А.В. Петухов. Уфа. 2010. С.192). Недостаток технологии: не удается получить приемлемые технико-экономические показатели из-за прорывов теплоносителя по высокопроницаемым каналам, карстовым полостям и кавернам, а на месторождениях, бывших в эксплуатации, и прорывов в старые скважины и горные выработки
С целью дополнительной экономии энергозатрат другие способы для получения термического и волнового воздействий используют электрическую энергию.
Известен способ интенсификации добычи, при котором осуществляют термическое воздействие с помощью нагревательных кабелей, использующих контактный механизм передачи тепловой энергии от теплового элемента в нагреваемую среду, и этот способ может быть использован в комплексе и с другими видами воздействий.
Устройства для реализации способа отличаются друг от друга конструкцией тепловыделяющего элемента. В кабелях фирмы «Райхем» нагревательным элементом является полимерно-угольный порошок между жилами кабеля, обладающий свойством саморегулирования температуры нагрева при пропускании через него тока (Нагревательный кабель «Raychem» (http://mtraychem.ru/nagrevatelnyj-kabel-raychem, дата обращения 19.07.2012). В других конструкциях, например в патенте РФ 2167008, МПК В08В, автор и патентообладатель Самгин Ю.С. СПОСОБ ОЧИСТКИ НЕФТЕГАЗОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ ПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ПРОБКОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. Опубл. 20.05.2001, использованы резистивные свойства самой жилы кабеля. В материалах предлагается также резистивно-индукционная система «кабель-ферромагнитная трубка» с использованием поверхностного (skin) эффекта протекания обратного тока в ферромагнитной трубке. Концентрация тока на внутренней поверхности трубки, в свою очередь, осуществляется за счет индукции поля, создаваемого переменным однофазным током кабеля, расположенного внутри трубки («скин-система»). Несмотря на то что в материалах эти системы предлагаются как инновационные, они известны в уровне техники.
Общим недостатком описанных способов при использовании кабельных нагревательных систем является то, что они воздействуют только на лифт скважины, и их ограниченность влияния на вязкость среды не только в призабойной зоне, но и на достаточной глубине скважины (более 1 км).
При применении «скин-систем» недостатком является также необходимость подключения мощной однофазной нагрузки к трехфазной сети через не менее мощную симметрирующую установку (подстанцию), распределяющую равномерно ток по всем фазам. Другими недостатками являются: низкий коэффициент мощности, зависимость режима работы от диаметра трубки, ее материала и нелинейная зависимость от температуры.
Известна высокочастотная электромагнитная обработка скважин, охватывающая целый пласт, для чего его вскрывают по крайней мере одной нагнетательной и одной эксплуатационной скважинами, при которой излучатель волновой электромагнитной энергии, с помощью которого осуществляется накачка волновой энергии в пласт, устанавливается в одну из скважин. Недостатком этого способа является то, что он, в отличие от предыдущего способа, увеличивает подвижность пластового флюида за счет преимущественно нагрева и практически не обладает вибромеханическим (акустическим) действием, являющимся, возможно, наиболее важным для увеличения проницаемости пласта (патент РФ №2139415. СПОСОБ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ. Авторы Саяхов Ф.Л. и др. Патентообладатель Башкирский государственный университет, Научно-инженерный центр нефтяной компании «Лукойл». Опубл. 10.10.1989 г.). Другим недостатком является сложность технических устройств этого диапазона частот, при котором проявляются поглощающие свойства скважинной среды, и большие потери энергии как в тракте передачи этой энергии, так и в самом излучателе.
Известен способ воздействия на призабойную зону пласта в процессе добычи нефти, включающий низкочастотное и высокочастотное виброакустическое, а также термическое воздействие, отличающийся тем, что проводят двухчастотное виброакустическое и термическое воздействие в процессе добычи нефти, для чего виброакустический источник и термоизлучатель размещают под электроприводом погружного насоса в интервале перфорации, а контроль за воздействием осуществляют по кабелю питания электропривода погружного насоса и кабельному подвесу, соединяющему виброакустический источник и термоизлучатель с электроприводом погружного насоса, причем воздействие проводят во время работы погружного насоса (заявка на патент РФ 2003116271, МПК 7 E21B 43/25. Опубл. 20.12.2004).
Близок ему способ комбинированного высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ) воздействия в диапазоне резонансных частот ближней зоны и доминантных частот дальней зоны по максимальному акустическому отклику в ВЧ- и НЧ-диапазонах, в котором возбуждают скважинный акустический преобразователь импульсными электрическими сигналами ряда частот технологического диапазона. Преобразуют энергию импульсных электрических сигналов в энергию импульсов излучения акустических колебаний технологического диапазона частот, воздействующих на ближнюю продуктивную зону скважины, и в энергию акустических колебаний комбинационных разностных частот, воздействующих на дальнюю продуктивную зону скважины. Устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, многоканальное генераторное устройство и согласующее устройство, также содержащее геофизический кабель, соединенный со скважинным акустическим преобразователем, также содержащее устройство силового электропитания, подключенное входом к шинам электропитания (патент РФ 2309247, МПК E21B 43/16, E21B 43/25. СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОДУКТИВНУЮ ЗОНУ СКВАЖИНЫ ПО ИНТЕРВАЛАМ ПЕРФОРАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ. Авторы Александров В.А. и др. Патентообладатель Федеральное Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор". Опубл. 27.10.2007).
Недостатком обоих способов является необходимость подбора целого спектра частот индивидуально для всех зон пласта при необходимости перекрытия всего его объема (как в случае добычи вязкой нефти), что технически невозможно, а также и низкая эффективность волнового воздействия.
Известны способы интенсификации добычи, которые используют для волнового воздействия также электрический способ доставки энергии на забой скважины и преобразование ее в необходимую для этого форму, например, в виде высоковольтного импульсного разряда, который возбуждает циклические волны сжатия, пульсирующую парогазовую полость (Патент США US4345650, МПК Е21В 36/04, Е21В 43/00, Е21В 43/24. PROCESS AND APPARATUS FOR ELECTROHYDRAULIC RECOVERY OF CRUDE OIL. Автор Wesley Richard H., патентообладатель Wesley Richard H. Опубл. 24.08.1982). Недостатком этого способа является слабый термический эффект и низкая частота воздействия, препятствующая проникновению энергии в пласт из-за быстрого затухания.
Известен способ интенсификации добычи, при котором воздействуют упругими звуковыми волнами источника колебаний и отдельно электрическим нагревом путем пропускания тока по предварительно изолированной части колонны от электрического кабеля (патент РФ №2097544, МПК E21B 43/25, E21B 28/00, E21B 36/04. СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ ИЗ НЕФТЯНОГО КОЛЛЕКТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. Авторы Олав Эллингсен и др. Патентообладатели Петролео Брасилейро С.А.-Петробрас (BR), Эллингсен энд Ассошиэйтс А.С. (NO). Опубл. 01.07.92).
Известен близкий предыдущему способ интенсификации добычи путем волнового газодинамического воздействия на пласт, при которой используют полую штангу с магнитострикционными свойствами и за счет пропускания высокочастотного тока от кабеля внутри полой штанги создают ультразвуковые и тепловые воздействия и воздействую одновременно взрывной волной от размещенных на конце штанги зарядов. (патент РФ №2298090. СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ. МПК (2006.01) E21B 43/263. Авторы Падерин М.Г. и др. Патентообладатели Падерин М.Г. и др. Опубл. 27.04.2007). Общим недостатком этих способов является низкая эффективность из-за слабости ультразвукового воздействия и ограниченность применения (только для призабойной зоны пласта в некоторых типах скважин).
Известен также способ, при котором на пласт воздействуют комплексом ультразвуковых колебаний от отдельного источника и низкочастотным от электрического разряда (патент РФ 2392422. СПОСОБ ДОБЫЧИ НЕФТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. МПК (2006.01) E21B 43/16, Авторы Абрамова А.В. и др. Патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "СоНовита". Опубл. 28.04.2009). Однако недостатком этого способа является локальность воздействия в призабойной зоне пласта и невозможность влияния на поднимаемую нефть в лифте скважины, что ограничивает их применение на выработанных месторождениях с образованием в процессе добычи большого количества асфальтосмолистых, парафиновых и эмульсионных отложений, а также на месторождениях с высоковязкой и битуминозной нефтью.
Во всех перечисленных выше способах волновое воздействие осуществляется источниками разной степени интенсивности, но по принципу действия все они являются локальными, т.е. реализуются в виде каких-либо излучателей определенной конструкции, погружаемых в скважину. Общий недостаток: большие потери и рассеяние волновой энергии на начальном участке излучения, большой разброс частоты и несинхронность волновых воздействий при многоточечном воздействии, что не позволяет получать достаточно эффективное влияние на весь пласт.
Известен способ волнового воздействия на пласт или всю залежь, при котором в некоторой степени устраняются указанные выше недостатки, заключающийся в том, что на поверхности или в вертикальных, и/или наклонных, и/или горизонтальных, и/или разветвленных скважинах размещают источники волновых колебаний. Создают с помощью источников волновых колебаний одновременно продольные и поперечные волны. С помощью этих волн осуществляют волновое воздействие на среду с залежью углеводородов. Согласно изобретению осуществляют волновое воздействие на среду с залежью углеводородов интерференционными волновыми полями с фронтами заданной конфигурации, образуемыми путем возбуждения продольных и поперечных волн в точках залежи углеводородов с временными задержками, пропорциональными расстоянию от точки возбуждения волн до каждой заданной точки залежи. При этом волновое воздействие фокусируют на область залежи с неподвижными и малоподвижными запасами углеводородов и реализуют синхронизированное многоточечное волновое воздействие, обеспечивающее статический эффект суммирования энергии импульсов волн (Патент РФ 2361070, МПК (2006.01) E21B 43/16. СПОСОБ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАЛЕЖЬ УГЛЕВОДОРОДОВ, авторы Иванов С.И. Патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа". Опубл. 10.07.2009). Недостатком этого способа является то, что волновое воздействие осуществляется ударным (импульсным) способом, при котором значимым является только передний фронт создаваемых импульсов, так как колебания волн в самом импульсе имеют произвольную частоту, и при наложении этих колебаний в пласте, как и в ранее рассмотренных способах, не дает энергетического эффекта. При этом синфазное наложение фронтов колебаний, которые, собственно, и дают эффект усиления из-за интерференции, происходят в крайне ограниченном объеме пласта. Другим недостатком способа является отсутствие технических средств, позволяющих обеспечить сфокусированное воздействие в необходимой зоне пласта.
Наиболее близким по технической сути является способ интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах путем ликвидации отложений и повышения текучести вязких углеводородов в скважине и ПЗП, осуществляемый с помощью высокочастотного генератора и линии передачи электрической энергии в виде кабеля, погружаемого в скважину на глубину образования отложений, при котором генерируют в линии передачи высокочастотный электрический ток, воздействуют высокочастотным электромагнитным полем, созданным этим током, на поверхность трубопроводов и посредством этого осуществляют термическое за счет индукционного высокочастотного нагрева и акустическое за счет электродинамических сил воздействия на колонну труб, одновременно осуществляют непосредственное термоакустическое воздействие на скважинную жидкость путем замыкания через нее высокочастотного тока на конце кабеля, при этом определяют диапазон частот, при котором выделяется максимальная термическая и акустическая мощность как в колонне труб, так и и в самой скважинной жидкости от высокочастотных токов линии и в скважинной жидкости (Патент RU №2248442, МПК E21B 37/00, E21B 36/04. СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЛИКВИДАЦИИ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ И ПРОБОК В НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИНАХ. Автор Мельников В.И. Патентообладатель Мельников В.И., Опубл. 20.03.2005 г.).
Для усиления термического и акустического воздействий в описанном способе используют передачу высокочастотной энергии в импульсном режиме, способствующем созданию ударных механических колебаний в колонне труб по глубине скважины и созданию ударных волн в самой в скважинной жидкости за счет того, что в импульсном режиме высокочастотный ток в жидкости приобретает характеристики разряда (Бадамшин Р.А., Мельников В.И. Опытное скважинное оборудование для обработки призабойной зоны пласта и ликвидации отложений по всей глубине их образования. Успехи современного естествознания. 2004-№5. С.35-38).
Отличительным свойством этого способа является то, что он преобразует колонну труб и некоторый объем скважинной жидкости в призабойной зоне скважины в распределенные нагреватели и акустические виброволновые излучатели.
Устройство для реализации способа содержит генераторы импульсного высокочастотного тока, состоящие из емкостных накопителей энергии, в качестве которых в прототипе применены спиральные полосковые линии, разрядной схемы на основе полупроводникового ключа, в цепь которой включена линия передачи электрической энергии. Устройство также содержит модуль заряда емкостных накопителей в виде фильтра постоянного тока, подключенного через выпрямитель к сети переменного трехфазного тока (Бадамшин Р.А., Мельников В.И. Опытное скважинное оборудование для обработки призабойной зоны пласта и ликвидации отложений по всей глубине их образования. Успехи современного естествознания. 2004-№5. С.35-38).
Недостатком этого способа является отсутствие оптимальных технологических параметров, обеспечивающих максимальную долю потока в пласт от всей вырабатываемой тепловой и акустической энергии, и охват, вследствие этого, всего пласта комплексным (термическим и акустическим) воздействием. В большей степени этот способ эффективен для ликвидации вязких отложений и снижения вязкости тяжелой нефти в лифте и призабойной зоне скважин. При этом способ, как и описанный в патенте РФ 2361070 (МПК (2006.01) E21B 43/16. СПОСОБ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАЛЕЖЬ УГЛЕВОДОРОДОВ. Авторы Иванов С.И. Патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа". Опубл. 10.07.2009), может применяться для одновременной обработки группы скважин, но при этом указанный выше недостаток сохраняется. Недостатком устройств для реализации способа при групповой обработке является сложность обеспечения их электроснабжения и в некоторых случаях дополнительные потери в подводящих к устройствам кабелях.
Раскрытие изобретения.
В одном аспекте заявленного изобретения раскрыт способ интенсификации добычи нефти, в котором создают высокочастотный импульсный ток в группе двухпроводных линий передачи электрической энергии, расположенных в группе скважин и состоящих из двух изолированных проводников или из одного изолированного проводника и использованного в качестве второго проводника металла трубопроводов группы скважин, посредством группы генераторов высокочастотного импульсного тока и воздействуют высокочастотным импульсным электромагнитным полем, создаваемым высокочастотным импульсным током проводников группы двухпроводных линий передачи, на поверхность металла трубопроводов группы скважин; осуществляют термическое и акустическое воздействия на внутритрубную жидкость в группе скважин и через нее на пласт нефтяной залежи посредством нагрева и механических вибраций металла трубопроводов, возникающих при прохождении высокочастотного импульсного тока по двухпроводной линии передачи электрической энергии; осуществляют дополнительное термическое и акустическое воздействия на внутритрубную жидкость в группе скважин и через нее на пласт нефтяной залежи посредством нагрева и колебаний давлений, возникающих на конце двухпроводной линии передачи в результате высокочастотного импульсного разряда через внутритрубную жидкость; причем генераторы высокочастотного импульсного тока настраивают так, чтобы создавать импульсы высокочастотного импульсного тока с одинаковой длительностью и частотой следования.
В другом аспекте заявленного изобретения раскрыто устройство для интенсификации добычи нефти, содержащее группу генераторов высокочастотных импульсных токов, содержащее емкостные накопители энергии и разрядную схему на базе полупроводниковых ключей, а также подключенные в разрядную цепь упомянутых генераторов линии передачи электрической энергии, размещенные в каждой скважине из группы скважин, выполненные с возможностью проводить высокочастотные импульсные токи вдоль трубопроводов и посредством этого создавать вибромеханические колебания и осуществлять нагрев в трубопроводах по всей длине размещения упомянутых линий передачи; причем генераторы высокочастотного импульсного тока расположены вблизи линии передачи и настроены так, чтобы создавать импульсы высокочастотного импульсного тока с одинаковой длительностью и частотой следования.
Задачами, решаемыми заявленным изобретением, являются интенсификация добычи вязкой или осложненной нефти в нефтегазодобывающих скважинах с помощью увеличения комплексного потока тепловой и акустической энергии из скважин в объем пласта, повышение степени охвата волновым (вибромеханическим) воздействием всего объема нефтяной залежи, а также повышение энергетической эффективности работы устройств для интенсификации добычи и упрощение системы их электроснабжения, повышение мобильности и универсальности.
Сущность изобретения заключается в том, что известном способе, в котором для воздействия на пласт нефтяной залежи создают высокочастотный импульсный ток в группе двухпроводных линий передачи электрической энергии, расположенных в группе скважин и состоящих из двух изолированных проводников или из одного изолированного проводника и использованного в качестве второго проводника металла трубопроводов группы скважин, посредством группы генераторов высокочастотного импульсного тока воздействуют высокочастотным импульсным электромагнитным полем, создаваемым высокочастотным импульсным током проводников группы двухпроводных линий передачи, на поверхность металла трубопроводов группы скважин и осуществляют термическое и акустическое воздействия на внутритрубную жидкость в группе скважин и через нее - на пласт нефтяной залежи посредством нагрева и механических вибраций металла трубопроводов, возникающих при прохождении высокочастотного импульсного тока по двухпроводной линии передачи электрической энергии, а также осуществляют дополнительное термическое и акустическое воздействия на внутритрубную жидкость в группе скважин и через нее - на пласт нефтяной залежи посредством нагрева и колебаний давлений, возникающих на конце двухпроводной линии передачи в результате высокочастотного импульсного разряда через внутритрубную жидкость, производят новую операцию: генераторы высокочастотного импульсного тока настраивают так, чтобы создавать импульсы высокочастотного импульсного тока с одинаковой длительностью и частотой следования.
Эта новая операция позволяет получить технический результат, заключающийся в создании с помощью групп скважин многоточечных излучателей в пласт ударных волн, синфазное наложение в пласте которых из-за одинаковой частоты их следования и длительности резко увеличивает интенсивность их воздействия в его объеме, что позволяет увеличить интенсивность добычи нефти.
В способе, в котором дополнительно увеличивают частоту следования импульсов высокочастотного импульсного тока до появления вынужденных колебаний металла трубопроводов группы скважин с частотой, равной частоте следования импульсов высокочастотного импульсного тока, и получения в объеме жидкости группы скважин, как следствие, когерентных звуковых волн, позволяет за счет получения последних и их интерференции еще больше усилить интенсивность звуковых волн как внутри скважин, так и в самом пласте.
Повышение эффективности нового результата достигается также в способе, в котором усиление интенсивности когерентных звуковых волн в объеме жидкости группы скважин достигается путем нагрева этого объема высокочастотным импульсным током до температуры выше температуры плавления вязких составляющих внутритрубной жидкости в приповерхностной зоне металла трубопроводов
Способ, в котором в дополнение к предыдущему нагрев объема внутритрубной жидкости производят до температур снижения вязкости до значений, позволяющих максимально снизить поглощение звуковых волн в этой жидкости в группе скважин, позволяет получить еще один новый результат, заключающийся в появлении новых свойств: способности скважин в своем объеме концентрировать волновую энергию от всех распределенных ее источников, расположенных как внутри скважины, так и вне ее, а также способность направить эту сконцентрированную (аккумулированную) волновую энергию в пласт.
При этом способ, в котором соотношение мощности нагрева металла и мощности механических колебаний в трубопроводах регулируют путем изменения соотношения частоты тока высокочастотного импульсного тока и длительности импульса высокочастотного импульсного тока, позволяет оптимизировать эти свойства.
Эти свойства использует и способ, в котором термическому и акустическому воздействию подвергают выкидные, нагнетательные, напорные и сборные трубопроводы, гидродинамически связанные с данной группой скважин, посредством группы генераторов высокочастотного импульсного тока и группы двухпроводных линий передачи электрической энергии, расположенных по наземной поверхности вблизи этих трубопроводов, или по их наружной поверхности, или внутри них. Новый результат заключается в обмене волновой энергией как между скважинами и наземными трубопроводами так и между скважинами всей группы скважин через наземные трубопроводы и как следствие увеличении потока волновой энергии в пласт.
Способ, в котором синхронизируют импульсы высокочастотного импульсного тока в выкидных, нагнетательных, напорных и сборных трубопроводах по длительности импульсов и по частоте их следования с подобными импульсами в группе двухпроводных линий передачи, размещенных в трубопроводах каждой скважины группы скважин, гидродинамически связанных с ними, позволяет получить еще одно новое свойство из-за свойств когерентности звуковых волн во всех задействованных наземных и подземных трубопроводах, а именно свойство звукового лазера в виде масштабной звуковой пушки, излучающей в пласт через группу скважин.
Способ, в котором используют волноводные и направляющие свойства трубопроводов, заполненных жидкостью или газом, для аккумулирования и усиления интенсивности волновой энергии в группе скважин, создаваемой высокочастотным импульсным током во всех распределенных по наземным и скважинным трубопроводам линий передачи электрической энергии, и путем оптимального выбора группы скважин на основе геологических и геофизических изысканий охватывают воздействием всю нефтяную залежь, позволяет за счет оптимального управления потоком волновой энергии в нефтяную залежь пласта максимально эффективно использовать это новое свойство.
Сверхэффектом обладает также и развитие последнего варианта способа, при котором часть скважин из группы скважин используют для закачки теплоносителя в пласт из- за нелинейного взаимодействия тепловой и акустической энергии в пласте.
Наиболее экономичен при этом способ, в котором в качестве теплоносителя используют нагретую скважинную жидкость из других скважин группы.
Указанная выше задача достигается также и устройством для интенсификации добычи нефти, содержащем группу генераторов высокочастотных импульсных токов, содержащих емкостные накопители энергии и разрядную схему на базе полупроводниковых ключей, а также подключенные в разрядную цепь упомянутых генераторов линии передачи электрической энергии, размещенные в каждой скважине из группы скважин, выполненные с возможностью проводить высокочастотные импульсные токи вдоль трубопроводов и посредством этого создавать вибромеханические колебания и осуществлять нагрев в трубопроводах по всей длине размещения упомянутых линий передачи; причем генераторы высокочастотного импульсного тока расположены вблизи линии передачи и настроены так, чтобы создавать импульсы высокочастотного импульсного тока с одинаковой длительностью и частотой следования.
Устройство, в котором генераторы высокочастотных токов дополнительно объединены общей цепью заряда емкостных накопителей, подключенной через фильтр постоянного тока к сетевому выпрямителю, имеет новое свойство, обеспечивающее одинаковую длительность импульсов.
Выполнение устройства линии передачи в виде двух изолированных металлических проводников, установленных на поверхности трубопроводов с продольным смещением относительно друг друга, обеспечивает получение на коротких наземных трубопроводах таких же параметров импульсов по частоте тока в импульсе, как и на глубинных трубопроводах.
Устройство, в котором металлические проводники линии передачи энергии установлены внутри трубопроводов и дополнительно на конце, противоположном от конца подключения генераторов, содержат электроды, выполненные с возможностью высокочастотного импульсного разряда через жидкость трубопроводов.
Устройство, в котором, кроме того, каждый металлический проводник линии передачи энергии представляет собой распределенный источник нагрева, имеет в результате увеличение удельной тепловой мощности на единицу длины линии передачи энергии.
Устройство, в котором каждый металлический проводник линии передачи энергии представляет собой распределенный источник механических колебаний, за счет, например, свободного закрепления, гибкой и одновременно упругой конструкции имеет в результате увеличение акустической мощности на единицу длины линии передачи.
Для реализации способа интенсификации добычи нефти в наиболее предпочтительном варианте предназначено устройство, в котором линии передачи энергии размещены в каждой скважине из группы скважин и на выкидных, нагнетательные, сборных и напорных трубопроводах, гидродинамически связанных с данной группой скважин.
При этом устройство, в котором изолированные металлические проводники линии передачи энергии дополнительно выполнены с возможностью проводить такие высокочастотные импульсные токи, чтобы осуществлять нагрев нефти до температур снижения вязкости до значений, позволяющих снизить поглощение механических колебаний.
Устройство, в котором изолированные металлические проводники линии передачи энергии дополнительно выполнены с возможностью осуществлять нагрев нефти до температур снижения вязкости до значений, позволяющих снизить поглощение механических колебаний, в результате обеспечивает реализацию способа с полной передачей в пласт волновой энергии от всех наземных и подземных ее источников.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1 показывает общий вид устройства для интенсификации добычи вязкой и сверхвязкой нефти.
Фиг.2 показывает подробный вид размещения кабелей.
Фиг.3 показывает зарядно-разрядную схему генераторов.
Осуществление изобретения.
До недавнего времени термические методы повышения нефтеотдачи пластов не имели альтернативы при разработке нефтяных месторождений, содержащих высоковязкую нефть. Самым изученным и распространенным среди термических методов является пароциклическое воздействие на пласт. Однако неустранимым недостатком этой технологии является быстрое обводнение продуктивного пласта, т.к. для извлечения тонны битума закачивается 2,5-5 тонн пара, превращающегося в воду. Сильное обводнение делает добычу невыгодной. После извлечения около 20% запасов битума количество воды в пласте становится близким к количеству нефти. Поэтому в настоящее время более перспективными являются способы нагрева при помощи электронагревателей.
Но кроме термических методов повышения нефтеотдачи существуют и методы волнового воздействия на пласт. Волновые методы можно разделить на импульсные разового действия, низкочастотное и акустическое воздействие, в том числе ультразвуковое. Наибольшее применение находят методы воздействия на призабойную зону пороховыми газами, электрогидравлическим ударами, мгновенными депрессиями, а также вибрационные и акустические воздействия.
В заявленном изобретении в наиболее общем способе на пласт осуществляется волновое воздействие, а в преимущественном варианте осуществления - как волновое, так и термальное воздействие.
В одном из вариантов осуществления способ реализуется следующим образом. Вначале определяют группу скважин, имеющих гидродинамическую и, как следствие, акустическую связь с пластом нефтяной залежи. В каждую скважину группы скважин, оборудованную установкой штангового насоса УШГН или винтового УШВН, погружают линию передачи энергии в виде однопроводного (одножильного) геофизического кабеля, снабженного на конце голым электродом с охранными изолирующими кольцами, исключающими прямой контакт с металлом трубопроводов. В качестве второго проводника использован непосредственно сам металл трубопроводов. В наземной части (устье) скважины линия передачи выполнена в виде двух изолированных проводников, уложенных на поверхность наземной части трубопровода, один и которых подключен к жиле (проводнику) геофизического кабеля, а другой - к металлу трубопровода скважины. Двухпроводная линия передачи другими концами подключена в разрядную цепь одного из генераторов. Проводниковая жила геофизического кабеля на глубинном его конце подключена к электроду, имеющему охранные изолирующие кольца, обеспечивающему замыкание высокочастотного тока путем импульсного высокочастотного разряда через скважинную жидкость на металл трубопроводов скважин. Для управления режимом работы генераторов импульсного высокочастотного тока накопительные емкости генераторов объединены общей зарядной цепью, что позволяет получить одинаковую скорость заряда и напряжение на накопителях, а с помощью подбора величин их емкостей можно отрегулировать и частоту волнового разрядного процесса в импульсе с учетом разной длины кабелей, подключенных к генераторам.
Для скважин с открытым забоем используют специальную колонну труб (лучше гибкой конструкции, для возможности использования на горизонтальных скважинах, чаще применяемых для добычи вязкой нефти) с заранее смонтированной линией передачи и закрепленной на наружной или внутренней поверхности трубы. Для большей эффективности в этом случае лучше использовать линию передачи из двух изолированных проводников, закрепленных на поверхности с продольным смещением относительно друг друга. В этом случае эффективность увеличивается за счет увеличения магнитного потока, действующего на поверхность колонны труб. В тоже время использование однопроводного кабеля для указанных выше скважин (УШВН, УШГН) оправдано тем, что его можно установить (подвесить) в скважине без постановки бригады ремонта, т.е. не поднимая труб.
Далее способ реализуется следующим образом: при генерировании импульсов в кабельной линии передачи энергии их передача от генератора к концу линии осуществляется относительно времени создаваемых ими механических колебаний практически мгновенно (со скоростью электромагнитной волны), а, значит, все распределенные механические воздействия на поверхность металла по всей длине кабеля можно считать синхронными. На низкой частоте импульсов в металле скважин возникают при этом затухающие колебания, совпадающие во времени по переднему фронту и необязательно по частоте, так как собственная резонансная частота по участкам колонны может отличаться.
Однако при повышении частоты следования импульсов система генератор-кабель-скважина неизбежно придет в область изменения качества этой системы с характерной особенностью в виде резкого и многократного усиления интенсивности создаваемой звуковой волны. Это происходит в области частот, когда режим от почти свободных механических колебаний переходит в режим вынужденных колебаний с частотой, совпадающей с частотой следования импульсов. Заранее этот диапазон частот неизвестен, поэтому в предложенном способе его определяют экспериментально, т.е. размещают на устье каждой скважины датчик звуковых колебаний и путем плавного увеличения частоты определяют этот диапазон по резкому возрастанию интенсивности во всех скважинах. Необходимо отметить, что определить этот диапазон необходимо только один раз при первоначальной настройке. Эффект резкого усиления звуковой волны объясняется тем, что вынужденные механические колебания участков колонны труб в скважине в этом диапазоне создают когерентные звуковые волны, и сам эффект непосредственно обусловлен их свойствами. Среди таких свойств отметим следующие:
1) при наложении и интерференции двух когерентных волн образуется результирующая волна той же частоты, но интенсивность ее в два раза выше, чем сумма интенсивностей этих волн;
2) интерференция многих волн (более двух) при сложении приводит к более четкой интерференционной картине из-за возрастания амплитуды, а интенсивность результирующей волны превышает сумму интенсивностей слагаемых волн в n раз, где n - количество источников.
Таким образом, результирующая звуковая волна в результате отражений и наложений от источников, распределенных по всей поверхности трубопроводов скважины, будет иметь локальную интенсивность (пропорциональную квадрату амплитуды избыточного давления), многократно превышающую суммарную интенсивность звуковых волн от всех источников. Одновременно фронты таких волн при увеличении объема источников будут более крутыми, а сами волны приближаться по свойствам к ударным волнам. При реализации способа все задействованные в способе скважины создают когерентные результирующие волны, а те, в свою очередь, взаимно усиливаются за счет интерференции в пласте. Таким образом, коэффициент усиления интенсивности волнового воздействия в пласте пропорционален суммарной длине трубопроводов-излучателей по всем скважинам. Одновременно в каждой скважине объем жидкости, попавший под действие высокочастотных импульсных разрядов от электродного наконечника кабеля, также является источником звуковых волн, когерентных с основными волнами. Так как импульсный высокочастотный разряд в этом диапазоне частот осуществляется за счет объемной поляризации (известный в физике как Е-разряд) и создаваемые волны сжатия-разрежения обусловлены резким изменением плотности поляризующейся среды этого объема, то в создании этих источников задействованы достаточно большие объемы жидкости. Усиление интенсивности результирующей волны в пласте от этого воздействия уже пропорционально количеству скважин, так как пропорционально увеличивается суммарный объем скважинной жидкости, являющейся объемно распределенным источником когерентных волн.
В преимущественном варианте осуществления способа значимыми являются эффекты взаимного влияния термического и акустического воздействий, в первую очередь обусловленные совмещением в пространстве источников теплового и акустического поля. Это совмещение, которое является одним из идентифицирующих факторов способа, обусловлено тем, что нагрев и механические силы, вызывающие колебания метала трубопроводов, созданы одним и тем же физическим воздействием индуцированным (наведенным или сконцентрированным в металле трубопровода с помощью импульсного высокочастотного электромагнитного поля) током, только термический эффект создан в соответствии с законом Ома, а механический - в соответствии с законом электродинамического взаимодействия индуцированного тока с током линии передачи энергии.
Особо значимым это взаимодействие является при добыче вязкой и сверхвязкой нефти. Нагрев этой нефти в приповерхностной зоне вибрирующей части металла трубопроводов существенно снижает так называемое "сопротивление излучению", определяемое силой, действующей со стороны среды и вызывающей поглощение энергии механических колебаний вязкой средой. Эффективность излучения звука увеличивается также с повышением частоты из-за снижения эффекта «выталкивания» и «втягивания» частиц во время колебаний. Нагрев приповерхностной зоны до 50-90 град. Цельсия снижает вязкость среды вблизи поверхности в сотни раз, и при повышении частоты до значений 5-20 кГц практически вся механическая энергия колеблющегося тела превращается в энергию распространяющейся звуковой волны. В свою очередь, звуковое воздействие также снижает вязкость. Многочисленными исследованиями установлено, что воздействие ультразвука на вязкость может производить эффект, подобный нагреву среды на 50 градусов. Таким образом, имеется нелинейное (взаимоусиливающееся) взаимодействие теплового и акустического потока энергии.
Особую роль для осуществления способа играет и распределение нагрева по объему среды внутри трубопроводной системы скважин. Собственно, объемный нагрев вязкой среды до технологических температур, снижающий вязкость до значений, не только достаточных для ее перекачки, а до состояния жидкости, упругие свойства которой являются определяющими для уменьшения поглощения звуковых волн от объемно распределенных источников и аккумулирования волновой энергии вследствие их суммирования и взаимного усиления из-за интерференции, позволяет передать эту аккумулированную энергию конечному потребителю в пласт, где она по известным физическим законам преобразуется на уменьшение адгезии нефти к породе, уменьшение сдвиговой вязкости, повышение пористости пласта и другими эффектами, увеличивающими приток нефти в скважинах.
Как было указано выше, особую уникальность для практически неограниченного увеличения интенсивности волнового воздействия на пласт создает использование для создания объемных источников наземных трубопроводов, связанных со скважинами потоком жидкости (гидродинамически), являющейся хорошим проводником волновой энергии. В этом случае вся создаваемая в системе волновая энергия в объеме всех связанных трубопроводов на поверхности и в скважинах является замкнутой, а в пласте - разомкнутой, так как она там потребляется.
При этом использование для закачки в пласт нагретой маловязкой жидкости не только повышает температуру пласта, но и способствует доставке волновой энергии к малопроницаемым участкам.
Такая особенность способа, заключающаяся в возможности аккумулирования волновой энергии в объеме группы скважин, т.е. суммирования и концентрации внутри их трубопроводов когерентных звуковых волн и взаимного усиления их по интенсивности от всех источников звука (наземным и подземным), создаваемых импульсным высокочастотным током всех линий передач, распределенных по наземным трубопроводам и по трубопроводам скважин, выгодно отличает и создает преимущества по сравнению с приведенным выше способом (Патент RU 2361070), где также используется многоточечное воздействие распределенных и по глубине скважин, и по поверхности источников, причем возбуждение колебаний осуществляется импульсным (ударным) способом, и в котором, в какой-то мере, также используется эффект наложения синфазных колебаний. Это преимущество заключается в управлении перераспределением (т.е. канализацией и направлением) потока этой энергии в объем всей нефтяной залежи, которое достигается оптимальным выбором группы скважин-излучателей волновой энергии в пласт залежи. Для этого необходимо на основании ранее проведенных геофизических изысканий путем акустического зондирования пласта установить скважины, имеющие наилучшую акустическую связь с нефтяной залежью, и определить группу из этих скважин, излучение от которых будет перекрывать всю эту залежь. При этом еще большее преимущество обеспечивает когерентность излучения в пласт со всех скважин-излучателей, что обеспечивает усиление интенсивности воздействия во всем объеме перекрываемой излучением волновой энергии в нефтяную залежь, а не в сфокусированных зонах, как в упомянутом выше аналоге. Для месторождений с вязкой нефтью это преимущество является решающим.
По сравнению с нагревательными кабелями и нагревателями других типов описанный способ имеет главное преимущество, которое с точки зрения нагрева заключается в формировании источников тепла непосредственно в металле скважин без тепловой перегрузки изоляции кабеля и на порядок большей удельной мощности.
По сравнению с системами непрерывного высокочастотного индукционного нагрева заявленный способ имеет также существенные отличия и преимущество. Отличие связано с импульсным режимом создания в линии передачи высокочастотной тока и возможности пропорционально уменьшению длительности импульса увеличить энергию самого импульса. Высокая частота тока в импульсе и высокая энергия в импульсе тока создают синергетический эффект увеличения потока тепловой мощности с единицы длины линии передачи энергии, что, собственно, и дает возможность для нагрева массивных труб одним или двумя проводниками, проложенными вдоль трубопровода. В стандартном высокочастотном нагреве для этого потребовалась бы обмотка из витков провода вокруг трубы с определенной плотностью намотки.
Наибольший эффект при реализации описанного выше способа, при котором достигается еще большее аккумулирование в пласте волновой энергии, получают тем, что охватывают линиями передачи энергии и воздействием синхронных импульсов выкидные и нагнетательные трубопроводы, гидродинамически связанные с данной группой скважин, при этом некоторые скважины из данной группы и наземные трубопроводы, охваченные кабельными линиями, используют для закачки теплоносителя, в качестве которого, в свою очередь, используют нагретую скважинную жидкость из других скважин этой же группы.
В предпочтительном варианте осуществления способа воздействие осуществляют в группе скважин, например одной или нескольких нагнетательных и всех зависимых от них добывающих скважин, путем охвата их кабельными линиями от их наземной части до забоя. При этом настраивают все генераторы импульсной высокочастотной мощности, чтобы создавать во всех кабельных линиях одинаковые по длительности и частоте следования импульсы, и за счет повышения частоты следования импульсов создают когерентные акустические волны, при этом для усиления проникающей способности последних в объем пласта используют свойства трубопроводов скважин, заполненных жидкостью, как усилителей когерентных волн из-за их объемной интерференции и как направляющих волноводов для излучения этих волн в пласт, для чего объемный нагрев жидкости производят до температур снижения вязкости до значений, позволяющих максимально снизить поглощение механических колебаний в трубопроводах и звуковых волн в жидкости скважин.
При такой реализации появляется не раскрытая в уровне техники возможность создания источников когерентных звуковых волн, распределенных в большом объеме (объеме трубопроводных систем всех скважин), и неограниченного увеличения объема этих источников, а тем самым и интенсивности волнового воздействия, за счет увеличения количества и длины трубопроводов задействованных скважин, концентрирования в объеме скважин всей вырабатываемой волновой энергии и, за счет использования направляющих свойств скважин, получения сверхсуммарного эффекта интенсификации волнового воздействия в пласте за счет дальнейшей их интерференции в пласте. Другими словами, для излучения в пласт создается масштабный (в масштабе скважинного обустройства всего пласта) звуковой лазер направленного действия. Одновременный нагрев жидкости в скважине, снижение ее вязкости и акустического сопротивления интенсифицирует в ней волновой процесс, уменьшает потери его энергии и увеличивает передачу этой энергии в пласт, что, в свою очередь, ускоряет тепломассообмен скважинной жидкости с пластом, тем самым, также создавая сверхсуммарный эффект комплексного воздействия.
Еще больше проявляется этот новый результат, когда охватывают линиями передачи и воздействием синхронных импульсов выкидные и нагнетательные трубопроводы, гидродинамически связанные с данной группой скважин, при этом некоторые скважины из данной группы и наземные трубопроводы, охваченные кабельными линиями, используют для закачки теплоносителя, в качестве которого, в свою очередь, используют нагретую скважинную жидкость из других скважин этой же группы. Из-за замкнутой по пласту и по наземным коммуникациям гидродинамической связи, являющейся проводником и аккумулятором волновой акустической энергии ото всех распределенных источников, еще более усиливается (из за свойств когерентности) сверхсуммарное воздействие на пласт. Наземные трубопроводы в этом случае исполняют роль акустической и частично тепловой "пушки", а поток нагретой жидкости играет роль эффективного проводника акустической энергии в пласт.
Наиболее простым унифицированным и универсальным устройством, реализующим описанный способ, является устройство, содержащее группу генераторов, состоящих из емкостного накопителя, например электрического конденсатора и разрядного полупроводникового прибора, также содержащих блок питания для заряда накопительных электрических конденсаторов в виде фильтра постоянного тока, подключенного через выпрямитель к сети переменного трехфазного тока, а также блоки управления, в котором в отличие от подобных устройств генераторы и блок питания для заряда накопительных конденсаторов размещены по группе скважин и трубопроводам так, что первые совмещены с кабельными линиями передачи энергии на скважинах и линиями передачи на наземных трубопроводах таким образом, что кабельные линии и линии передачи энергии в качестве нагрузки включены в разрядную цепь каждого отдельного генератора и размещены вблизи них, а блок питания для заряда соединены с генераторами общей цепью заряда.
Особенностью заявленного устройства, реализующего способ интенсификации добычи вязкой нефти, является то, что распределенное воздействие на пласт, осуществляемое распределенной системой генераторов, позволяет кратно путем увеличения количества генераторов наращивать мощность как на каждой скважине, так и кратно их наращивать при увеличении количества обрабатываемых скважин. За счет этого устройство является мобильным из-за возможности его быстрого развертывания и легко адаптируемым к новым объектам. Другим ценным свойством является упрошенная система электроснабжения, так как блоки питания могут подключаться в разных местах энергосистемы, где позволяют это ее резервные мощности.
Фиг. 1 показывает общий вид устройства для интенсификации добычи вязкой и сверхвязкой нефти вместе с добывающей установкой, на фиг. 1 цифрами 1-3 обозначены кабели, размещенные соответственно в межтрубном пространстве добывающей скважины, на поверхности нагнетательного трубопровода и внутри насосно-компрессорной трубы нагнетательной скважины. Кабели 1 и 3 с противоположного от подключения генераторов конца замкнуты на колонну труб через скважинную среду.
Фиг.2 показывает подробный вид размещения кабелей в скважинах.
Фиг.3 показывает зарядно-разрядную схему каждого генератора 1, 2, 3, схема состоит из емкостного накопителя энергии в виде конденсатора С, полупроводникового ключа с обратной проводимостью в виде тиристора VS и диода VD. Для развязки выходной цепи и согласования с нагрузкой (кабелем) применен импульсный трансформатор Т. Устройство питания генераторов 4 представляет собой трехфазный выпрямитель, по входу подключенный к энергосети, по выходу через буферный дроссель L - к цепи заряда емкостей конденсаторов С всех генераторов. Единый блок управления всеми генераторами на рисунках не показан.
Устройство работает следующим образом. До поступления управляющего импульса на управляющие выводы тиристоров конденсаторы С заряжаются током дросселя до одинакового напряжения, зависящего от накопленной энергии в дросселе. При подаче импульса управления на тиристоры генераторов 1-3 эти емкости разряжаются на нагрузки в виде кабелей. Причем поскольку все полупроводниковые ключи соединены параллельно, то время разряда конденсаторов, а значит, и длительность импульсов будут одинаковыми. При этом разрядный процесс в каждом кабеле является волновым, и частота волны определяется преимущественно индуктивным сопротивлением контура кабель - колонна труб (т.е. длиной кабеля) и емкостью конденсатора генератора. Подбором последней можно добиться оптимальной частоты и волновых параметров разрядного процесса в самом импульсе, обеспечивающем интенсивный индукционный нагрев, а за счет длительности импульса - и необходимого уровня волнового воздействия.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сути и объема данного изобретения.
В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации всех упомянутых устройств и блоков, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства, известные в уровне техники. Так, аппаратные средства управления могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.
Аппаратные средства силовой и механических частей могут быть реализованы на базе любых известных в уровне техники устройств, компонентов и блоков, которые могут быть адаптированы специалистом в области техники для реализации задач, решаемых заявленным изобретением.