СПОСОБ РАЗРАБОТКИ НЕФТЕГАЗОВЫХ, СЛАНЦЕВЫХ&NBSP; И УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
OIL AND GAS, SHALE AND COAL DEPOSIT DEVELOPMENT METHOD

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для разработки месторождений и наиболее полного извлечения из них высоковязких и других нефтей, битумов, сланцевых нефтей из керогенов, газоконденсатов, сланцевых и природных газов, а также для газификации углей и разработки других полезных ископаемых.
Известен способ гидравлического разрыва пласта (ГРП) для повышения продуктивности скважин - увеличения их дебита или приемистости при заводнении нефтяных пластов. При этом в одиночных однородных пластах создается одна трещина значительной длины и осуществляется однократный или многократный разрыв пласта. На многопластовых залежах, состоящих из свиты пластов, слабо связанных между собой, гидродинамически осуществляется поинтервальный гидравлический разрыв пластов (направленный гидроразрыв). Рабочая жидкость, применяемая для гидравлического разрыва пласта, нагнетается в пласт через лифтовую колонну труб с пакером на конце и по назначению разделяется на три вида: жидкость разрыва, жидкость песконоситель и продавочная жидкость (Сучков Б.М. Интенсификация работы скважин. - Москва - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамка»; Институт компьютерных исследований, 2007. - С.396-410). Устьевая запорная арматура и эксплуатационная колонна меняется на специальную головку для ГРП. В качестве рабочей жидкости применяют техническую пластовую воду, соляно-кислотные растворы (для карбонатных коллекторов), сырую нефть и другие. Для снижения потерь давления (до 75%) в них добавляют высокомолекулярные полимеры. В раскрывшиеся трещины с целью удержания их раскрытыми вместе с рабочей жидкостью вводится расклинивающий материал - кварцевый песок, стеклянные и металлические шарики и другие механические материалы фракции 0,5-1,5 мм. При поинтервальных ГРП на каждом отдельном пласте свиты из многих пластов эти операции осуществляют при изоляции обрабатываемого интервала с помощью пакера, песчано-глинистой пробки и специальных жидкостей с большой плотностью. Давление нагнетания рабочей жидкости превышает горное давление и прочностные свойства породы обрабатываемого пласта.
К главным недостаткам такого силового способа воздействия на пласты относятся следующие:
- требуются высокие материальные и энергетические затраты и значительное время на подготовку выполняемых работ с демонтажом постоянного оборудования добывающей скважины и установкой заменяющего его оборудования для проведения ГРП;
- промышленному применению должно предшествовать технико-экономическое обоснование рентабельности способа;
- после завершения ГРП необходимо производить освоение и раскачку скважин обычными способами для обработки призабойных зон, что требует дополнительных затрат и значительного времени;
- трещина гидроразрыва сравнительно быстро сдавливается горным давлением несмотря на наличие расклинивающего материала в ней;
- невозможно определить направление образования трещины разрыва и ее пространственную конфигурацию расположения в пласте, а это приводит к неожиданным прорывам воды и газа в скважины;
- способ очень трудоемкий и не позволяет одновременно обрабатывать даже небольшие площади месторождений, а также месторождение в целом и осуществляется только на отдельных скважинах.
Известен электродинамический способ очистки призабойной зоны пласта от загрязнений (Сучков Б.М. Интенсификация работы скважин. - Москва - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований, 2007. - С.282-283), основанный на одновременном воздействии на прискважинную зону пласта повышенной депрессией и постоянным электрическим полем высокого напряжения. Это вызывает в загрязненной призабойной зоне гидроразрыв оболочек капилляров в тонкопористом слое вследствие электроосмоса, появление в капиллярной среде электрохимического, электрокинетического, теплового и других факторов. При этом образуется кислотная или щелочная среда в зависимости от знака электрического заряда на скважинном электроде, повышается температура на 10-20 градусов по Цельсию, снижается межфазное поверхностное натяжение, увеличивается объемная скорость вытеснения флюида в направлении скважины. Это позволяет вызвать промышленный приток нефти из продуктивного пласта путем воздействия на него одновременно снижающимся давлением и постоянным электрическим полем разной полярности. Вначале на электрод подают отрицательный заряд для вызова притока фильтрата глинистого раствора из призабойной зоны. А затем с появлением углеводородов интенсифицируют их приток заменой электрода на положительный.
К недостаткам этого способа относятся ограниченность области использования, низкая эффективность, высокая стоимость осуществления и низкая технологичность.
Известен также способ разработку и увеличения степени извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из земных недр (RU, патент, 2102587, кл. E21B 43/24, 43/25, 1998.), принимаемый за прототип.
Согласно прототипу скважины герметизируют пакерами на уровне кровли пласта и предварительно размещают в них твердые электроды, подают на них переменный ток высокого напряжения, зажигают электрическую дугу при расплавлении плавкой вставки между парами твердых электродов или разведением контактов электродов, или путем пробоя промежутков между твердыми электродами двух соседних скважин при повышении электрического напряжения на них. Электрическую дугу зажигают по наиболее электропроводному слою в пласте с достаточной для этого естественной электропроводностью, возникшей при формировании месторождения нефти и газа, между твердыми электродами двух соседних скважин путем предварительного разогрева естественного электропроводного слоя пласта с последующим пробоем промежутков по тому же слою пласта. Затем электрические дуги перемещают во внутрипластовом пространстве в необходимом порядке и последовательности для чего подают напряжения зажигания на электроды новых соседних скважин месторождения и отключают напряжения на тех скважинах, на которых дуги уже горели.
К недостаткам способа можно отнести следующие:
- низкая надежность пробоя и зажигания электрической дуги по найденному в пласте наиболее электропроводному естественному слою, так как его электропроводность может изменяться на различных участках месторождения в связи с изменением свойств входящих в его состав пород и их проницаемости и трещиноватости, а также в связи с изменением состава пластовых вод, газов, нефтей и других влияющих на электропроводность факторов;
- возникают сложности с установлением надежных контактов с естественными электропроводными слоями в пластах при использовании твердых электродов с незначительными площадями контактов с электропроводными слоями в пластах;
- высокая стоимость осуществления способа из-за необходимости значительного расхода электроэнергии и создания высоких напряжений для разогрева и пробоя естественных электропроводных слоев в нефтегазовых пластах и зажигания электрических дуг между соседними скважинами в результате неоднородности и непостоянства электропроводных свойств естественных проводящих электрический ток слоев и небольшой площади контактов твердых электродов с ними.
Техническим результатом изобретения является наиболее полное и эффективное извлечение из нефтегазовых, сланцевых и угольных пластов в большинстве встречающихся условий всех видов нефтей, битумов, сланцевых нефтей из керогенов, газоконденсатов и газов путем искусственного создания в пластах, породах и других геологических образованиях полезных ископаемых на месторождениях слоев, зон и областей, обладающих улучшенными электропроводными свойствами после нагнетания в них рабочей жидкости с электропроводными свойствами, их разогрева импульсами переменного тока, пробоя и зажигания по ним электрических дуг для обработки месторождений полезных ископаемых. Использование предложенной в изобретении технологии позволит получить очень значительный экономический эффект при наиболее полном извлечении нефтей и газов из пластов и улучшить существенным образом экологию территорий, на которых разрабатываются месторождения, исключить разливы нефтей из старых скважин, оставленных после отработки месторождений с не полностью извлеченными из земных недр запасами нефтей, газов и предотвратить выбросы содержащегося в нефтях метана и других газов в атмосферу, вызывающие парниковый эффект. С помощью этого способа можно также уничтожать подземные захоронения и могильники с отходами вредных радиоактивных и химических веществ, сжигая и испаряя их под землей в плазме электрических дуг без доступа кислорода воздуха, а также можно добиться выплавления в подземные выработки из рудных тел, жил и линз металлов, например, таких как медь, никель, алюминий, серебро, золото и многих других. Благодаря интенсивному извлечению нефти, газа и других полезных ископаемых сокращают время отработки месторождений с получением дополнительного экономического эффекта и без нанесения экологического ущерба окружающим месторождения территориям.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе разработки нефтегазовых, сланцевых и угольных месторождений, согласно которому через скважины, пробуренные на месторождениях, осуществляют нагнетание различных рабочих жидкостей при различных давлениях закачки в пласты, размещают в них твердые электроды, подают к ним переменный ток, зажигают электрические дуги между твердыми электродами двух соседних скважин при наличии в нефтегазовых пластах естественных слоев с электропроводными свойствами или между парами твердых электродов в одной скважине при их разведении, либо расплавлении плавкой вставки между ними, перемещают электрические дуги в естественных слоях с электропроводными свойствами во внутрипластовом пространстве между несколькими соседними скважинами месторождений в необходимом порядке и последовательности, согласно изобретению в качестве рабочей жидкости нагнетают под максимально высокими в конкретных условиях давлениями жидкость с электропроводными свойствами, искусственно создают после ее нагнетания в одиночных нефтегазовых, сланцевых и угольных пластах слои, зоны и области, обладающие свойствами электропроводности, а при наличии свит из многих пластов искусственно создают слои с электропроводными свойствами либо в проницаемых и пористых породах соседних пластов, либо улучшают естественные электропроводные свойства расположенных в их подошвах слоях пластовых вод или отдельно расположенных рядом с ними в свитах водоносных горизонтов подземных вод, для чего нагнетают в них рабочую жидкость с электропроводными свойствами из соседних нагревательных скважин навстречу друг другу при максимально возможных в конкретных условиях высоких давлениях для проникновения ее на максимальную глубину, подключают в цепь источников переменного тока высокого напряжения электроды из рабочей жидкости с электропроводными свойствами в нагревательных скважинах и суперконденсаторы на поверхности для накопления и быстрой отдачи значительной электромагнитной энергии в виде импульсов переменного тока в искусственно созданные в пластах и породах слои, зоны и области, обладающие электропроводными свойствами, затем повышают напряжение в нагревательных скважинах, осуществляют разогрев и получают по ним пробой между подключенными соседними нагревательными скважинами, зажигают электрические дуги и обрабатывают их плазмой месторождения полезных ископаемых, при этом на новых месторождениях нагревательные скважины обсаживают стеклопластиковым трубами с электроизоляционными свойствами, располагают по мощности, простиранию и падению пластов на заданном расстоянии друг от друга, причем добывающие скважины размещают на заданном расстоянии между нагревательными скважинами, а на уже эксплуатирующихся месторождениях бурят дополнительные нагревательные скважины, их стенки не закрепляют обсадными трубами в пределах пластов, многократно разбуривают и увеличивают по мере необходимости их диаметры пошагово на заданную величину расширителями скважин для улучшения фильтрации в пласты рабочей жидкости с электропроводными свойствами, нефти и газа из пластов при последующей их добыче из этих же скважин, после проведения полного цикла обработок пластов осуществляют ротацию нагревательных скважин для использования их в качестве добывающих, при наличии свиты из многих пластов многократно обрабатывают внутрипластовые пространства плазмой электрических дуг одного или нескольких выше или ниже расположенных ближайших соседних пластов в свитах или расположенных внутри свит на близком расстоянии от пластов водоносных горизонтов подземных вод, при этом изменяют напряженно-деформированное состояние других рядом расположенных выше или ниже ближайших пластов в свите и снижают горное давление на них, многократно закачивают через определенные временные интервалы рабочую жидкость с электропроводными свойствами в искусственно созданные ранее слои, зоны и области с электропроводными свойствами в пластах или в расположенные рядом с ними водоносные горизонты подземных вод, поддерживают внутрипластовое давление на месторождениях для чего одновременно зажигают электрические дуги либо между определенными соседними нагревательными скважинами, либо между всеми нагревательными скважинами на месторождениях.
Способ реализуется следующим образом. На новых месторождениях бурятся вертикальные, наклонные и горизонтальные нагревательные и добывающие скважины на нефтегазовые, угольные, сланцевые пласты или на свиты из многих пластов, или на другие геологические образования полезных ископаемых в массивах горных пород. Нагревательные и добывающие скважины располагаются на заданном расстоянии друг от друга по мощности, простиранию и падению пластов или свит из многих пластов и других геологических образований полезных ископаемых в горных массивах. Добывающие скважины располагают между нагревательными на заданном расстоянии в зависимости от различающихся на разных месторождениях свойств горных пород нефтегазовых, угольных и сланцевых пластов, систем их трещиноватости, проницаемости и пористости, различных условий залегания пластов на месторождениях. На уже эксплуатирующихся месторождениях бурят дополнительные нагревательные скважины на заранее определенном расстоянии друг от друга, через которые осуществляют разогрев и пробой горных пород пластов или образований других полезных ископаемых и зажигают электрические дуги при повышении напряжения импульсного переменного тока для обработок плазмой дуг внутрипластовых породных пространств по искусственно созданным в них электропроводным слоям, зонам и областям после нагнетания рабочей жидкости с электропроводными свойствами в них под максимально высокими в конкретных условиях давлениями для проникновения ее на максимально возможную глубину. В качестве рабочей используют жидкость с электропроводными свойствами и плотностью, превышающей плотность пластовых вод и водоносных горизонтов подземных вод за счет входящих в ее состав микроэмульсий, химкомпонентов и взаимодействующих с ними микрочастиц материалов с высокой электрической проводимостью.
На новых месторождениях все вновь пробуренные скважины обсаживают выпускаемыми серийно стеклопластиковыми трубами с электроизоляционными свойствами, которые по прочности не уступают металлическим, но обладают в отличие от них многими необходимыми для осуществления способа преимуществами - более высокой гибкостью и способностью выдерживать осевую нагрузку, гидроудары и давление, эффективны при проведении электромагнитного каротажа скважин, они не поддаются коррозии, химически стойкие к агрессивным средам, обладают повышенной надежностью соединений труб и многократностью использования соединительных резьб, высокой температуростойкостью, отсутствием парафиноотложений из нефтей за счет качества внутренней поверхности и свойств стеклопластика (его теплопроводность в 120 раз меньше, чем у используемого металла для производства металлических труб). Насосно-компрессорные трубы (НКТ) и другое скважинное оборудование, кроме насосов, тоже изготавливается из стеклопластика, обладающего свойствами электроизоляции, и обеспечивает надежную изоляцию для оборудования скважин и защиту людей, работающих на поверхности от поражения электрическим током, а также предотвращает его утечки, наводки и другие опасности. На эксплуатируемых месторождениях с уже установленными ранее металлическими обсадными трубами и оборудованием скважин, обладающим свойствами высокой электропроводности, поверхностное оборудование и работающих там людей защищают от электрического тока и высокого напряжения путем дополнительной установки на обсадных трубах, НКТ в скважинах и в других необходимых местах на устьях скважин электроизолирующих муфт, которые серийно выпускаются промышленностью различных типоразмеров и надежно электроизолируют используемое на поверхности оборудование и защищают обслуживающий персонал от поражения электрическим током. На новых и на уже давно эксплуатирующихся месторождениях стенки нагревательных скважин не закрепляют обсадными трубами на всю мощность пластов независимо от прочностных характеристик пород, углей и сланцев или других полезных ископаемых для обеспечения максимально надежных контактов электродов из рабочей жидкости с электропроводными свойствами и для улучшения ее фильтрации в искусственно созданные после нагнетания в пласты и массив горных пород слои, зоны и области с повышенной электропроводностью. Если в слабых и неустойчивых породах нефтегазовых пластов или в угольных и сланцевых пластах происходит частичное разрушение стенок скважин и уменьшение их диаметров под влиянием горного давления, то это не скажется на надежности контактов электродов из рабочей жидкости с искусственно созданными в пластах и в толще массивов горных пород слоями, зонами и областями, обладающими свойствами электропроводности после нагнетания в них рабочей жидкости с электропроводными свойствами. При длительной эксплуатации нагревательных скважин и многократных обработках из них внутрипластовых пространств плазмой электрических дуг по мере необходимости многократно разбуривают и увеличивают их диаметры на незакрепленных в пределах мощности пластов участках пошагово на заданную величину расширителями скважин для улучшения фильтрации в пласты электропроводной жидкости, нефти и газа из пластов. После проведения полного цикла обработок пластов осуществляют ротацию нагревательных скважин для использования их в качестве добывающих для последующей добычи нефти и газа из этих же скважин с увеличенным диаметром после разбуривания расширителями с заданными диаметрами и с уже улучшенной фильтрацией, а также возросшим притоком нефти и газа от значительного увеличения их диаметров (увеличения площадей притоков). Добыча нефти и газа из нагревательных скважин значительно возрастает благодаря тому, что их стенки при увеличении диаметров очищаются от корки проникшего в них бурового глинистого раствора при первоначальном бурении скважин, а трещины и поры призабойных зон пластов, примыкающих к скважинам, очищаются от закупоривающих их отложений смол, парафинов и асфальтенов, оставшихся в них при истечении нефтей в скважины. Операции по увеличению диаметров скважин при разбуривании расширителями с заданными диаметрами восстанавливают естественную фильтрацию и проницаемость пластов. Расширители скважин либо выпускаются промышленностью серийно и выполняются различных конструкций и предназначены для механического разрушения горных пород, либо могут быть изготовлены комбинированного типа, когда горные породы разрушаются с помощью высокотемпературного воздействия электрической дуги, зажженной на разрушающем породы торце расширителя с буровой коронкой, например, при разведении контактов электродов в сочетании с механическим вращательным воздействием буровой коронки на уже значительно разрушенные под влиянием высокой температуры дуги породы для придания разбуриваемым скважинам требуемых диаметров и окончательной формы. Конструкции расширителей скважин позволяют перемещать их по скважинам в сложенном виде и постепенно раздвигать их до величины заданных диаметров в пластах и разбуривать скважины пошагово на необходимых участках пластов. Эта операция выполняется через определенные промежутки времени и по мере необходимости, например, после разрушения стенок скважин в пластах горным давлением и существенного уменьшения их диаметров, ухудшения фильтрации как рабочей жидкости в пласты, так и нефти и газа из них в скважины после проведения полного цикла обработок и ротации нагревательных скважин для использования их в качестве добывающих, для срезания со стенок скважин слоев пород по пластам, в которых трещины и поры пород-коллекторов засорились отложениями смол, парафинов, асфальтенов и мельчайших частиц пород, а также в других необходимых случаях. В результате ротации нагревательных скважин в добывающие и многократного пошагового увеличению их диаметров, особенно на окончательных стадиях отработки месторождений со свитами из многих пластов, произойдет значительное изменение напряженно-деформированного состояния пластов и формирование новых дренирующих и фильтрующих нефть и газ макросистем, позволяющих извлекать из них всю подвижную нефть и газ, в том числе и из законтурных пространств залежей нефтей, считающихся неизвлекаемыми, и даже из пород неколлекторов с очень низкой проницаемостью при перетоках и больших площадях контактов с ними пластов-коллекторов с высокой проницаемостью и пористостью, предварительно обработанных плазмой электрических дуг и с увеличенными диаметрами пробуренных по ним скважин, особенно наклонных и горизонтальных, что наиболее эффективно при разработке свит из многих пластов различной мощности со сложными геологическими условиями формирования: надвигами, сбросами, разрывами сплошности пластов и другими осложнениями. Изложенные операции позволяют значительно повысить эффективность недропользования и наиболее полно извлекать нефть и газ из месторождений с коэффициентом их извлечения до 85-90% и более.
На стадии бурения геологоразведочных скважин на месторождениях осуществляют обязательный электромагнитный каротаж скважин по всему геологическому разрезу массива горных пород и определяют мощность вскрытых пластов, различных слоев пород, водоносных горизонтов подземных вод, свит из многих пластов, их расстояния друг от друга, выявляют слои в породах и пластах с различным электрическим сопротивлением и определяют в пластах и массивах горных пород слои пластовых вод и отдельные водоносные горизонты рядом с пластами с наименьшим удельным электрическим сопротивлением, а значит, с наилучшими естественными электропроводными свойствами и уже из них выбирают наиболее пригодные для использования при реализации предложенного способа путем искусственного улучшения их электропроводных свойств после нагнетания в них рабочей жидкости с электропроводными свойствами под максимально высокими давлениями в конкретных условиях месторождений на максимально возможную глубину между соседними нагревательными скважинами. Обычно наилучшей естественной электропроводностью обладают водонасыщенные слои, состоящие из различных пород в пластах с высокой проницаемостью и пористостью, водоносные слои с пластовыми водами, содержащими большое количество растворенных в них солей различной концентрации, обладающие ионной проводимостью и, в подавляющем большинстве случаев, расположенные в подошве пластов нефти газа и других образований полезных ископаемых, потому что плотность пластовых вод превышает плотность нефтей и газоконденсатов, а также водоносные горизонты подземных вод, расположенные за пределами границ пластов, но рядом с ними или внутри свит из многих пластов, или на близком расстоянии от других геологических образований полезных ископаемых в массивах горных пород, например, рядом с рудами с высокими содержаниями различных металлов.
Все месторождения нефти, газа, сланцев, угля и других образований полезных ископаемых всегда имеют различные геологические условия залегания в массивах горных пород, которые никогда не повторяются и всегда отличаются друг от друга, но есть и общие закономерности. Пласты с запасами нефти и газа наиболее часто содержат на уровне своих подошв слои пластовых вод, которые вместе с ними заключены в непроницаемых для них границах кровли и подошвы пластов, в состав которых входят, например, такие горные породы, как глины, глинистые сланцы и другие, являющиеся ловушками для нефти, газа и слоев пластовых вод, которые перемещаются только в пределах мощности этих пластов. Рядом с одиночными пластами могут располагаться на определенном расстоянии от них или от свит таких пластов, или внутри свит водоносные горизонты подземных вод, которые не связаны с пластами нефти и газа и слоями пластовых вод и имеют свои границы с водонепроницаемыми породами и перемещаются в этих границах и не контактируют с пластовыми водами, если не появятся каналы их перетока в пласты. Водоносные горизонты подземных вод могут подпитываться водами с поверхности. В естественных условиях месторождений все виды вод и нефти, если не нарушено их гидродинамическое равновесие бурением скважин на месторождениях, очень медленно перемещаются в пределах своих границ со скоростью около десятков метров или чуть более в год. После бурения скважин скорость их перемещения значительно возрастает в области влияния скважин.
Для лучшего понимания последовательности действий, условий и средств предписанных предложенным способом приводится конкретный пример реализации способа.
На месторождении разрабатывают нефтегазовый пласт мощностью 12 метров горизонтально залегающий на глубине 2000 метров и состоящий из низкопроницаемых песчаников и глинистых сланцев, которые выполняют роль коллектора и содержат в своем объеме вязкую нефть и слои пластовых вод в подошве, при этом в кровле и подошве пласта расположены непроницаемые слои глины, в которых, как в ловушке, находится нефть, газ и пластовые воды. Внутрипластовое давление сравнительно низкое и не превышает 180 МПа, а температура внутри пласта составляет около 56 градусов по Цельсию. Дебит нефти из добывающих скважин низкий и не превышает 10-12 тонн в сутки, при этом внутрипластовое давление через полгода отработки пласта шестнадцатью добывающими скважинами, расположенными друг от друга на расстоянии 200 метров и размещенные на месторождении по принципу квадратной сетки, снижается до 150 МПа, что ухудшает условия добычи нефти традиционными способами. По данным электромагнитного каротажа разведочных скважин удельное электрическое сопротивление пород - коллекторов пласта изменяется от 600 до 900 Ом·м, а слоев пластовых вод - от 35 до 40 Ом·м. Слои пластовых вод в подошве пласта имеют плотность 1,1 грамма на кубический сантиметр за счет растворенных в них солей калия, натрия, магния, кальция и других и обладают свойствами ионной электропроводимости. Для повышения добычи нефти и степени извлечения ее из пласта используют предложенный новый способ и бурят дополнительно на заданном расстоянии в 200 м друг от друга по центрам квадратной сетки между добывающими скважинами девять нагревательных скважин, обсаживают их стеклопластиковыми трубами с электроизоляционными свойствами и через них нагнетают навстречу друг другу из соседних скважин в пласт под максимально возможным давлением в 380 МПа в конкретных условиях рабочую жидкость с электропроводными свойствами, удельное электрическое сопротивление которой составляет 0,5 Ом·м, а плотность 1,3 грамма на кубический сантиметр, что превышает плотность слоев пластовых вод и позволяет отжать их в начале нагнетания от нагревательных скважин в глубь массива, что облегчает в первое время процесс разогрева, пробоя и зажигания электрических дуг. Для выработки электроэнергии, необходимой для осуществления предложенного способа, на месторождении устанавливают газотурбинный генератор мощностью 10 МВт для выработки переменного тока высокого напряжения - 35 кВ, для работы которого используют попутный газ, содержащийся в добываемой из пласта нефти в больших количествах - в одном кубическом метре нефти содержится 390 кубических метров попутного газа. Этот газ сепарируют из нефти и используют для выработки электроэнергии при осуществлении предложенного способа, а до его использования попутный газ сжигался после сепарации из нефти в факелах, отравляя окружающую атмосферу продуктами сгорания. К газотурбинному генератору переменного тока высокого напряжения подключают суперконденсатор с индукционными емкостями для накопления и быстрой отдачи электромагнитной энергии в виде мощных импульсов - до 20 МВт переменного тока в искусственно созданный в пласте слой из рабочей жидкости и пластовых вод. В течение одного часа происходит перемешивание пластовых вод и рабочей жидкости и значительное улучшение электропроводных свойств слоев пластовых вод. Этому способствует дополнительно еще и начавшийся процесс разогрева пласта после повышении напряжения на электродах из рабочей жидкости с электропроводными свойствами в нагревательных скважинах, при котором увеличение температуры на каждые 100 градусов по Цельсию снижают удельное электрическое сопротивление рабочей жидкости и слоев пластовой воды в подошве пласта в 1,8-2 раза, а значит, настолько же улучшаются и электропроводные свойства обладающей ионной проводимостью смеси пластовых вод и рабочей жидкости. При температуре разогрева внутрипластового пространства по слоям пластовых вод около 200-250 градусов по Цельсию происходит пробой слоев и зажигается дуга, которая горит в рассеянном виде и начинает возрастать внутрипластовое давление, а удельное сопротивление слоев пластовых вод продолжает снижаться при дальнейшем увеличении температуры и при ее значении в 600-700 градусов по Цельсию уменьшается в 11-14 раз, соответственно, во столько же раз улучшатся электропроводные свойства слоев пластовых вод. Это значительно снижает расход электрической энергии для поддержания горения дуги во внутрипластовом пространстве. После 3-х часов горения дуги во внутрипластовом пространстве начинает расширяться область тепловой обработки пласта и происходит дальнейшее увеличение температуры до 1200-1300 градусов по Цельсию при повышении напряжения. При таких температурах происходит активное испарение окружающего электрическую дугу вещества и в этой области значительно увеличивается внутрипластовое давление - до 1200-1400 МПа. При дальнейшем возрастании давления во внутрипластовом пространстве при обработке его электрической дугой температура плазмы в горящей дуге еще больше повышается до 2000-2500 и более градусов по Цельсию и электрические дуги между соседними скважинами перемещают по простиранию пласта для обработки его на заданной площади. Высокое давление во внутрипластовом пространстве выдавливает нефть в сторону добывающих скважин по раскрытым старым и вновь образовавшимся от воздействия давления и температуры трещинам и каналам, значительно снижается вязкость нефти, что приводит к увеличению дебита добывающих скважин на порядки - до 350-500 тонн в сутки. При этом достигается самая важная цель - происходит наиболее полное извлечение нефти и газа из пласта и достигается очень высокий коэффициент их извлечения, равный 0,9, при многократных обработках пласта плазмой электрических дуг для поддержания дебита скважин на заданном уровне. Причем сроки наиболее полного извлечения и отработки месторождения нефти и газа будут уменьшены с 8-10 лет до 2-3 лет при достижении максимальной экономической эффективности и без нанесения экологического вреда окружающей месторождение среде, потому что нефть и газ будут извлечены из него практически полностью.
В редко встречающихся случаях очень низкой проницаемости и пористости горных пород и пластов, а также при отсутствия в них или рядом с ними водоносных горизонтов подземных вод или других проницаемых слоев в пластах с подходящими для осуществления предложенного способа электропроводными свойствами, между соседними нагревательными скважинами на незакрепленных обсадными трубами участках бурят по пластам в пределах их мощностей навстречу друг другу длинные шпуры небольших диаметров - от 20 до 40 мм и более на расстояния от 30 до 80 метров и более с помощью устройств направленного бурения с гибкими трубами из стеклопластика. Пучки из нескольких длинных шпуров, пробуренные из соседних нагревательных скважин навстречу друг другу могут пересекаться и расходиться своими забоями в пространстве пластов от нескольких десятков сантиметров до метров. При нагнетании в них рабочей электропроводной жидкости под максимально высоким в конкретных условиях давлением из соседних нагревательных скважин навстречу друг другу перегородки между пробуренными шпурами разрушатся и образуется единый электропроводный слой заданной мощности, заполненный рабочей жидкостью с электропроводными свойствами и пригодный для разогрева и пробоя таких пластов и пород и зажигания по ним электрических дуг для их последующей обработки.
При наличии на месторождениях нефтегазовых, угольных или сланцевых пластов большой мощности рабочую жидкость с электропроводными свойствами нагнетают в несколько наиболее пригодных для обработки таких пластов проницаемых и пористых водонасыщенных слоев, расположенных на различном расстоянии по мощности пластов, и затем внутрипластовую обработку электрическими дугами выполняют поэтапно либо сверху вниз по мощности пластов, либо наоборот в зависимости от конкретных условий их залегания. При наличии на месторождениях свит из многих пластов улучшают электропроводные свойства либо каждого пласта в свитах в отдельности и отдельно обрабатывают его плазмой электрических дуг, либо выбирают для этого один из пластов, находящийся в непосредственной близости от нескольких других пластов или между ними в свитах, или расположенных выше или ниже его, и осуществляют многократную обработку выбранного пласта плазмой электрических дуг, что приводит к повышению эффективности добычи нефти и газа и из соседних пластов в результате их взаимовлияния. После такого порядка обработки изменяют напряженно-деформированное состояние в рядом расположенных выше или ниже ближайших соседних пластах в свитах, снижают горное давление на них от вышележащей толщи горных пород за счет образования при высокотемпературном воздействии на породы обрабатываемого пласта в свитах полостей, каналов перетоков нефтей и газов и дополнительных систем трещин на обработанных плазмой электрических дуг участках пласта при испарении вещества слагающих их пород, углей, сланцев, нефтей, пластовых вод и других составляющих горных массивов. После снижения горного давления и образования подвижек массивов горных пород между ближайшими соседними пластами в свитах увеличивается проницаемость и степень раскрытия трещин и пор в породах-коллекторах нефтегазовых пластов, углях и сланцах и других образованиях полезных ископаемых. Новые системы трещин и каналы перетоков нефтей и газов образуются и от подвижек в горных породах и от высокотемпературного воздействия на пласты. При этом возникает переток нефтей и газов по образовавшимся дополнительным трещинам и каналам из соседних пластов свит, попавших в область влияния обработки только на одном пласте между ними, в добывающие скважины, расположенные на еще не обработанных плазмой электрических дуг пластах, близко находящихся в свитах ниже и выше от обработанных соседних пластов. Такой же эффект будет получен, если вместо одного из пластов в свите обработать плазмой электрических дуг расположенные в свите водоносные горизонты подземных вод с искусственно улучшенными электропроводными свойствами после нагнетания в них под давлением рабочей жидкости с электропроводными свойствами, близко расположенные к пластам или между ними в свитах из многих пластов, или находящиеся рядом с выше или ниже расположенными в массиве горных пород одиночными пластами различной мощности. Благодаря изложенным операциям значительно сокращают время отработки всех пластов в свитах месторождений и существенно уменьшают расход электроэнергии, получают значительный экономический эффект от отработки свит из многих соседних пластов независимо от геологических условий их образования и возникших при этом тектонических осложнениях залегания.
При повышении надежности зажигания электрических дуг между электродами из рабочей жидкости с электропроводными свойствами соседних нагревательных скважин, которые после нагнетания рабочей жидкости в пласты и породы превращаются в единую электрическую цепь благодаря хорошим контактам между ними, можно снизить величину напряжения и расход электроэнергии для разогрева, пробоя и зажигании электрических дуг по искусственно созданным в пластах и породах слоям, зонам и областям, обладающим электропроводными свойствами. Для повышения мощности импульсов переменного тока высокого напряжения при зажигания электрических дуг подключают в цепь источников переменного тока высокого напряжения суперконденсаторы на поверхности (возможно также дополнительное подключение индукционных емкостей вместе с суперконденсаторами) для накопления и быстрой отдачи значительной электромагнитной энергии в виде импульсов переменного тока в искусственно созданные в пластах и породах слои, зоны и области, обладающие свойствами электропроводности.
После зажигания электрических дуг на заранее определенных участках месторождений их перемещают в пространстве пластов и массивов горных пород, содержащих полезные ископаемые в необходимом порядке и последовательности, для чего подают напряжения зажигания дуг на электроды из рабочей жидкости с электропроводными свойствами других соседних нагревательных скважин месторождении и отключают напряжения между теми нагревательными скважинами, на которых электрические дуги уже горели, причем этот процесс можно повторять многократно. Последовательность и порядок подключения новых скважин к процессу горения электрических дуг в пластах, породах, рудных телах, жилах и линзах определяют исходя из равномерной обработки ими всей площади месторождений полезных ископаемых или только площади определенных участков и достижения максимального эффекта от обработки плазмой электрических дуг массивов горных пород, содержащих полезные ископаемые.
Время обработки месторождений плазмой электрических дуг в породных, рудных и внутрипластовых пространствах на различных месторождениях будет различным в зависимости от физико-механических свойств, химических составов и видов полезных ископаемых в массивах горных пород, их напряженно-деформированного состояния, геологических условий залегания и ряда других факторов. В каждом конкретном случае это время устанавливают экспериментальным путем в зависимости от достижения необходимых температур и давлений в конкретных условиях для получения максимального эффекта и наиболее полного извлечения полезных ископаемых из месторождений. По полученным экспериментальным результатам возможно выполнить математическое и компьютерное моделирование в объемном формате и определение в дальнейшем необходимого расположения нагревательных и добывающих скважин, а также порядок и последовательность отработки месторождений в наиболее короткие сроки с максимальной эффективностью и минимальными затратами электроэнергии и средств.
Изобретение поясняется Фиг.1, на которой на представлена схема реализации способа разработки нефтегазовых и сланцевых месторождений нефти и газа.
На Фиг.1 изображен разрез массива горных пород, на котором показана одна из возможных схем расположения в его толще свиты, состоящей из двух мощных пластов, содержащих высоковязкую нефть и растворенный в ней газ - вышерасположенного относительно земной поверхности первого пласта I и нижерасположенного второго пласта II. Мощность пластов свиты изменяется от 20 до 65 метров, а расстояние между ними в свите - от 5 до 10 метров. Верхняя часть 8 первого пласта I является наиболее мощной - ее толщина достигает 35 метров и имеет слабопроницаемый коллектор, содержащий высоковязкую нефть. На свиту, состоящую из двух нефтегазовых пластов, с поверхности пробурены вертикальные и наклонно-горизонтальные нагревательные скважины 5, заполненные рабочей жидкостью с электропроводными свойствами под давлением, с расположенными в них углеродными контактами 6 в устье скважин. Рабочая жидкость в скважинах 5 контактирует на участках 12 скважин (это места возможной закачки рабочей жидкости в водонасыщенный, проницаемый и пористый слой 9, расположенный в первом пласте I и в слой пластовых вод 11 в подошве второго пласта II, а также и в водоносный горизонт подземных вод 15) с водоносным горизонтом и со слоями с естественными электропроводными свойствами, выявленными в процессе электромагнитного каротажа геологоразведочных скважин, обладающими наименьшими удельными электрическими сопротивлениями, а значит, и лучшими естественными электропроводными свойствами и расположенными во вмещающих пласты породах, а также и в пределах мощностей этих пластов:
- с водонасыщенным, проницаемым и пористым породным слоем 9 с высокой проницаемостью и пористостью, расположенном приблизительно посередине первого нефтегазового пласта I;
- со слоем пластовых вод 11, расположенным в подошве второго нефтегазового пласта II;
- с водоносным горизонтом подземных вод 15 мощностью от 1 до 2 метров, расположенным выше свиты пластов и близко от первого нефтегазового пласта I на расстоянии от 1,5 до 3 метров.
В естественных условиях залегания пластов и пород удельное электрическое сопротивление проницаемых пород-коллекторов, входящих в состав обоих пластов, например песчаников и глинистых сланцев, изменяется от 600 до 900 Ом·м и более, водонасыщенного проницаемого породного слоя 9 может изменяться от 40 до 60 и более, слоя пластовых вод 11, расположенного в подошве второго нефтегазового пласта II и водоносного горизонта подземных вод 15, - от 25 до 35 и более. После нагнетания в них рабочей жидкости с электропроводными свойствами их удельные электрические сопротивления будут снижены на порядки, а электропроводные свойства значительно улучшатся, что существенно снизит энергетические затраты и облегчит их разогрев до получения пробоя и зажигания электрических дуг.
Между нагревательными скважинами 5 на заданном расстоянии от их бурятся с поверхности вертикальные и наклонно-горизонтальные добывающие скважины 4 на нефтегазовые пласты в свите. Стенки нагревательных скважин обсаживаются стеклопластиковыми трубами с электроизоляционными свойствами, надежно изолирующими фонтанную и запорную арматуру 3 на поверхности скважин и обслуживающий персонал от воздействия высокого напряжения и тока. Насосно-компрессорные трубы (НКТ) и другое скважинное оборудование, кроме насосов, тоже выполняются из стеклопластика с электроизоляционными свойствами. Наклонно-горизонтальные добывающие скважины 4 пробурены таким образом, что их основные стволы располагаются в наиболее мощной части 10 второго нефтегазового пласта II с низкой проницаемостью и высоковязкой нефтью, а боковые стволы 7 этих же добывающих скважин пробурены на первый нефтегазовый пласт I свиты и также сложенный породами с низкопроницаемым коллектором и высоковязкой нефтью. Такое расположение скважин позволяет экономить средства на их бурении и добывать нефть и газ одновременно с двух пластов, повышать эффективность добычи при обработке пластов плазмой электрических дуг и сокращать время их отработки.
Нагревательные скважины 5 на поверхности подключаются к источнику переменного тока высокого напряжения 1, в цепь которого подключены суперконденсаторы-накопители энергии 2 и скомплектованные с ними индукционные емкости для накопления электрической энергии на поверхности и передачи импульсов переменного тока высокого напряжения в искусственно созданные слои, обладающие улучшенными электропроводными свойствами после нагнетания в них рабочей жидкости и использующиеся для последующей обработки обоих пластов месторождения плазмой электрических дуг.
Суперконденсаторы выпускаются серийно и могут работать в широком диапазоне температур (от +70 до минус 50 градусов по Цельсию) и их ресурс значительно превышает 10 млн циклов заряда-разряда, быстро заряжаются и быстро отдают энергию. От суперконденсаторов 2 с индукционными емкостями мощные импульсы переменного тока высокого напряжения подаются по проводам к размещенным в рабочую жидкость углеродным контактам 6 в устьях нагревательных скважин 5, заполненных рабочей жидкостью с электропроводными свойствами под давлением. На схеме стрелками условно показаны электрические дуги 14, зажженные в водонасыщенном проницаемом и пористом породном слое 9, расположенные в первом нефтегазовом пласте I после нагнетания в него рабочей жидкости и улучшения электропроводных свойств этого слоя, а также электрические дуги 13 в слое пластовых вод 11, расположенном в подошве второго нефтегазового пласта II, и электрические дуги 16, зажженные в водоносном горизонте подземных вод 15, расположенном на близком расстоянии от первого нефтегазового пласта I в свите после нагнетания в него рабочей жидкости на участках 12 нагревательных скважин 5 и улучшения его электропроводных свойств. Нагнетание рабочей жидкости с электропроводными свойствами в водоносный горизонт 15 для улучшения его электропроводных свойств будет осуществляться только в том случае, если окажется, что только обработки плазмой электрических дуг внутрипластового пространства первого нефтегазового пласта I по слою 9 недостаточно для наиболее полного извлечения нефти и газа из его верхней части 8, имеющей значительную мощность - до 35 м, и потребуется дополнительное воздействие на нее плазмой электрических дуг, зажженных в водоносном горизонте подземных вод 15, расположенном сверху на незначительном расстоянии от первого пласта.
Для зажигании электрических дуг между соседними нагревательными скважинами 5 месторождения повышают напряжения на электродах из рабочей жидкости с электропроводными свойствами в этих скважинах, разогревают слои 9 и 11 в пластах I и II до температуры пробоя. Затем зажигают электрические дуги между соседними нагревательными скважинами 5 для обработок плазмой электрических дуг внутрипластовых пространств с температурой плазмы в них от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов по Цельсию в зависимости от величины номинальных токов и при поддержании необходимых напряжений. Скорость нарастания напряжения и максимальное его значение зависят от параметров электрической цепи, а наличие в этой цепи суперконденсаторов с индуктивными емкостями облегчает зажигание электрических дуг. Чем больше расстояние между соседними нагревательными скважинами 5, тем больше будет максимальное значение восстанавливающего дугу напряжения, поэтому расстояние между нагревательными скважинами должно быть задано прежде всего исходя из затрат на их бурение и затрат на поддержание требуемого напряжения. С увеличением давления во внутрипластовых и породных пространствах при их обработках электрическими дугами температура плазмы повышается. При токах до 10 000 A дуга горит в рассеянном виде, что наиболее приемлемо для обработки внутрипластовых пространств в горных массивах, а при более высоких значениях токов - в сжатом виде. Электрическая дуга является одним из видов разряда в газах или парах, который характеризуется большой плотностью тока, небольшим падением напряжения в стволе дуги и высокой температурой. В связи с тем, что любая электрическая цепь обладает индуктивностью и емкостью, то путем включения в данную цепь дополнительных компактных и пригодных для перемещения на автотягачах на поверхности суперконденсаторов и индуктивных емкостей добиваются запаса значительной электромагнитной энергии, которая при возникновении электрической дуги после предварительного разогрева и пробоя горных пород и пластов освобождается и переходит в тепловую энергию, часть ее переходит в другие виды энергии, а возникшая электрическая дуга и окружающая ее среда являются энергопоглотителями. Пробой по искусственно созданным слоям, зонам и областям, обладающим электропроводными свойствами в пластах и породах при повышении напряжений между соседними нагревательными скважинами для наиболее образного сравнения и понимания происходящего процесса, близок по природе к разряду в воздушной среде при возникновении молний в процессе разряда накопившейся в атмосфере энергии электрического поля с очень высокими напряжениями при огромной емкости грозовых туч.
В окружающей дугу среде происходит испарение жидкой и твердой составляющих пластов и вмещающих горных пород за сравнительно небольшие промежутки времени при очень высокой температуре. Это приводит к значительному повышению внутрипластового давления и еще большему возрастанию температуры плазмы в горящей дуге, поэтому в пластах и горных породах горят дуги очень высокого давления и температур, которые перемещаются во внутрипластовом пространстве по искусственно созданным слоям с электропроводными свойствами после нагнетания в них рабочей жидкости в заданном порядке и последовательности, обрабатывая пласты и горные породы на всей или заданной части площади месторождения, что приводит к резкому изменению температурного и напряженно-деформированного состояния пластов и вмещающих их пород или рудных тел, жил, линз и других образований полезных ископаемых. Изменяются системы трещин и пор, появляются новые трещины и каналы, пустоты и свободные пространства в пластах и вмещающих породах или рудах горных массивов за счет испарения твердых и жидких фаз и других составляющих, что после гашения дуг приводит к множеству перераспределений напряжений от горного давления, и это тоже положительно сказывается на увеличении притоков нефтей и газов в добывающие скважины. Вязкость нефтей и битумов будет в значительной степени снижена, под воздействием высокой температуры произойдет преобразование керогенов в сланцевую нефть, а проницаемость пластов и пород будет повышена, что вызовет их приток и при значительном увеличении давления облегчит извлечение из пластов через добывающие скважины.
Сланцевый газ, который находится в сланцевых пластах во множестве отдельных замкнутых полостей различного размера, тоже будет полностью извлечен, потому что стенки между отдельными полостями будут разрушены после высокотемпературной обработки пластов плазмой электрических дуг и значительного увеличения внутрипластового давления. Обработка сланцевых пластов электрическими дугами приведет к, практически, полному извлечению сланцевых нефтей из керогенов и сланцевых газов из этих пластов и является экологически чистым способом по сравнению с применяющимися в настоящее время технологиями в виде очень мощных гидроразрывов горных массивов с использованием химических веществ, которые очень сильно загрязняют и отравляют окружающие месторождения территории.
Высокотемпературная обработка нефтегазовых, угольных и сланцевых пластов плазмой электрических дуг может быть признана с точки зрения снижения горного давления на соседние пласты в свитах еще более эффективным способом, чем подземная отработка защитных пластов на угольных месторождениях, когда с рядом расположенного пласта снимаются напряжения от горного давления и облегчается его дегазация и отработка после выемки соседнего с ним близко расположенного защитного пласта, но обладает целым рядом преимуществ за счет создания высокой температуры и давления, способствующих наиболее полному извлечению любых нефтей и газов в большинстве существующих условий, а также эффективной газификации любых марок углей.
В итоге после обработки нефтегазовых, угольных и сланцевых пластов месторождений плазмой электрических дуг значительно возрастет степень извлечения из них нефтей и газов, а сланцевые нефти и газ можно будет извлекать наиболее полно из законсервированных сейчас месторождений с огромными запасами, которые по всему миру в несколько раз превосходят запасы традиционных нефтегазовых пластов, и не извлекаются в настоящее время, особенно в Европе, из-за отсутствия экологически чистых способов добычи. Предложенный способ позволяет возродить к промышленной эксплуатации без экологически вредных последствий для окружающих территорий даже давно отработанные месторождения при наличии в них еще не извлеченных запасов нефтей и газов и осуществить наиболее полное извлечение этих запасов из месторождений благодаря разогреву и обработке пластов и вмещающих их пород на месторождениях электрическими дугами по искусственно созданным в них слоям, обладающим электропроводными свойствами, многократно через необходимые временные интервалы.
Таким образом, предложенный способ позволяет наиболее полно извлекать нефть и газ из нефтегазовых и сланцевых пластов месторождений, осуществлять газификацию угольных пластов и получить значительный экономический эффект при его использовании, а также является экологически чистым способом. Кроме добычи нефти и газа из нефтегазовых и сланцевых пластов, способ можно успешно использовать для подземной газификации угольных пластов, что значительно повысит степень извлечения угля и метана из земных недр, позволит значительно уменьшить загрязнение окружающей среды вредными отходами от добычи нефти и газа, угля и горной промышленности (химическими веществами, разливами нефти, отвалами пород, откачанными подземными водами из скважин и горных выработок с высоким содержанием серы, сероводорода и других вредных примесей, попадающих в реки и водоемы) и улучшить экологию территорий, на которых залегают нефть, газ, уголь и другие полезные ископаемые. Помимо этого, с помощью предложенного способа можно также уничтожать подземные захоронения и могильники с отходами вредных радиоактивных и химических веществ, сжигая и испаряя их под землей в плазме электрических дуг. Этим способом можно добиться выплавления в подземные выработки из рудных тел, жил и линз содержащихся в них металлов, например, таких как железо, медь, никель, титан, алюминий, серебро, золото и любых других.