СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТЕЙ И ГАЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИХ НАИБОЛЕЕ ПОЛНОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ
DEVELOPMENT METHOD OF OIL AND GAS DEPOSITS USING HIGH-POWER LASER RADIATION FOR THEIR MAXIMUM EXTRACTION

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для разработки месторождений и наиболее полного извлечения из нефтегазовых, сланцевых, других пластов и геологических образований нефтей различных вязкостей и газов, а также других полезных ископаемых.
Известен способ увеличения степени извлечения нефти или других ископаемых жидкостей из нефтяных пластов в земле или на море (SU, патент РФ 1838594 A3, кл. Е21В, 43/24, 43/25, 1993, Бюл. №32). В качестве устройства передачи энергии для последующего воздействия на нефтяной пласт используются электроды в двух соседних скважинах и ртуть, которой скважины предварительно заполняются до уровня залегания нефтяного пласта. Затем в нефтяном пласте создаются вибрации с помощью вибраторов с частотой, наиболее близкой к резонансной частоте пласта. Для этого производят вибрирование ртути с помощью вставленных в нее вибраторов и одновременно осуществляют электрическую стимуляцию процесса вибрации посредством приложения переменного электрического напряжения к электродам, расположенным в соседних скважинах. Резонансные вибрации в указанном месторождении будут распространяться наружу и выталкивать нефть из месторождения. Энергия вибраций будет также создавать тепло в месторождении в виде тепла трения между месторождением и находящейся в нем нефтью и это будет создавать увеличение давления за счет испарения некоторой части нефти и воды.
К недостаткам данного способа можно отнести следующие:
- использование ртути в качестве жидких электродов очень опасно из-за ядовитых испарений и экологического загрязнения окружающей среды и подземных вод;
- необходимы большие площади соприкосновения вибрирующих поверхностей с нефтяным пластом, чтобы резонансные вибрации в месторождении распространялись наружу и выталкивали нефть и очень большие расходы энергии, что потребует больших финансовых затрат;
- эффективность извлечения нефти из месторождения данным способом будет незначительной.
Известен также способ увеличения извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из земных недр, вскрытия и контроля пластов месторождений (RU, патент 2104393 С1, кл. Е21В 43 24, 43/25, 1998.), принимаемый за прототип. Согласно прототипу на заданных участках скважин вскрывают продуктивные пласты путем разрезки или перфорирования материала обсадных колонн скважин мощным лазерным излучением с дальнейшим испарением через эти прорези твердых и жидких фаз веществ, входящих в состав пластов и вмещающих их горных пород, в качестве устройства для передачи энергии используют оптоволоконные кабели с рабочими головками на их концевых частях, излучающих световую энергию, подключают к оптоволокнам (световодам) оптоволоконных кабелей мощные лазеры на поверхности и создают в пластах области с заданной высокой температурой и высоким внутрипластовым давлением для увеличения степени извлечения нефти и газа и перемещают эти области во внутрипластовых пространствах путем перемещения излучающих концевых частей оптоволоконных кабелей с рабочими головками по скважинам, процесс обработки пластов месторождений мощным лазерным излучением повторяют многократно через необходимые временные интервалы с одновременным излучением в нескольких взаимно смещенных на определенный угол по отношению к друг другу секторах с расхождением лучей в каждом секторе на определенный угол, одновременно осуществляют по специальным оптоволокнам бесконтактный и дистанционный контроль создаваемых в пластах значений температур, давлений, размеров и форм образованных в пластах и породах полостей, их смыкание, получают информацию о составе испаряемых веществ пластов и пород.
К недостаткам способа можно отнести следующие:
- невозможно осуществлять комплексную разработку месторождений и использовать мощное лазерное излучение не только для обработки внутрипластовых пространств и увеличения добычи нефти и газа, но и бурить с его использованием скважины с поверхности, вскрывающие нефтегазовые, сланцевые, угольные и другие пласты с полезными ископаемыми;
- низкая эффективность и производительность обработок внутрипластовых пространств мощным лазерным излучением и повышения внутрипластовых давлений и температур через отверстия перфорации и прорези в обсадных металлических трубах, которыми закреплены добывающие скважины, из-за небольших площадей обработки излучением внутрипластовых пространств;
- невозможность существенного расширения диаметров закрепленных трубами скважин во внутрипластовых пространствах для увеличения площадей притоков и улучшения фильтрации из пластов нефтей и газов в скважины;
- повышаются затраты на добычу нефтей и газов, сопровождающиеся значительными потерями времени для введения скважин в работу по добыче, в связи с необходимостью привлечения других вспомогательных способов для раскачки скважин и очистки призабойных пространств пластов от глубоко проникших буровых и цементных растворов с образованием непроницаемых корок в пластах после бурения скважин с использованием обсадных труб.
Техническим результатом изобретения является наиболее полное и эффективное извлечение с использованием мощного лазерного излучения из нефтегазовых, сланцевых и других пластов во всех встречающихся условиях любых видов нефтей, в том числе высоковязких и битумов, сланцевых нефтей из керогенов, газоконденсатов и сланцевых газов. Использование предложенного изобретения позволит получить значительный экономический эффект при наиболее полном извлечении нефтей и газов из пластов и значительно улучшить экологию территорий, на которых разрабатываются месторождения. Предложенный способ обеспечивает наиболее технологичное и экологически чистое, практически, полное извлечение запасов нефтей и газов на суше и на шельфе, в том числе считающихся трудноизвлекаемыми и неизвлекаемыми и, что особенно важно, позволяет бурить с земной и водной поверхности скважины на нефтяные и газоносные пласты без использования буровых растворов и крепления пробуренных скважин обсадными трубами и осуществлять текущие и капитальные ремонты скважин без использования традиционного крепления их стенок трубами и цементирования затрубного пространства в пластах и породах. С помощью этого способа можно очищать добывающие скважины и промысловое оборудование в них мощным лазерным излучением от отложений парафинов, смол и асфальтенов. Предложенный способ в случае использования его для разработки сланцевых пластов и добычи сланцевых газов позволит вскрыть максимальное количество замкнутых полостей с газом и добиться максимально высокого уровня его добычи при оптимальном уменьшении расстояния между длинными шпурами малых диаметров, пробуренных навстречу друг другу во внутрипластовых пространствах из соседних добывающих скважин с заданными смещениями осей шпуров для конкретных условий различных пластов, чтобы не пропускать замкнутые полости с находящимся в них сланцевым газом. Появляется возможность уничтожать подземные захоронения и могильники с отходами вредных радиоактивных и химических веществ, испаряя их под землей, и выплавлять различные металлы из рудных тел, линз и жил в подземные горные выработки. Благодаря интенсивной добыче нефти и газа из месторождений значительно сокращают время их отработки и обеспечивают получение дополнительного экономического эффекта без нанесения экологического ущерба окружающим территориям.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе разработки месторождений нефтей и газов с использованием мощного лазерного излучения для их наиболее полного извлечения, согласно которому на уже эксплуатирующихся месторождениях с пробуренными скважинами и установленными в них для крепления стенок обсадными колоннами из труб, располагают исполнительные устройства лазерных установок на заданной глубине в скважинах с помощью насосно-компрессорных труб, бурят исполнительными устройствами из заданных точек на стенках добывающих скважин по мощности, простиранию и падению пластов с большой скоростью благодаря испарению и высокотемпературному разрушению пластов и горных пород мощным лазерным излучением, исходящим из излучателей световой энергии в торцах буровых коронок, многочисленные длинные шпуры малого диаметра - менее 20 и до 40 миллиметров и более из соседних добывающих скважин навстречу друг другу до их взаимного пересечения в пространстве пластов и пород по простиранию, падению и мощности, разворачивают в процессе бурения гибкие составные буровые штанги на заданный угол от 0 до 180 градусов и более, контролируют по выделенным оптоволокнам направления бурения длинных шпуров с помощью лазерных лучей, задающих направления бурения и углы их разворота в пластах и породах, при этом выбуренный из забоев длинных шпуров малых диаметров буровой штыб полностью испаряют под воздействием мощного лазерного излучения, на новых месторождениях любые скважины с поверхности бурят на пласты месторождений с использованием лазерно-механического бурения для чего излучатели мощной световой энергии и оптоволоконные кабели, передающие световую энергию по оптоволокнам от мощных лазеров на поверхности, размещают во внутренних отверстиях механических буровых инструментов с полыми приводными штангами и коронками, окончательно разрушают ими горные породы для придания необходимых диаметров скважинам после воздействия на них высокотемпературным световым излучением из центральных излучателей в торцах буровых коронок, разрушающим и испаряющим породы в процессе бурения скважин, одновременно мощным световым излучением из вспомогательных боковых или других излучателей либо наплавляют на стенки скважин для крепления слои из смесей оставшегося после испарения лазерным излучением выбуренного из забоев скважин штыба и подготовленных на поверхности и подаваемых в скважины веществ и материалов, либо при появлении участков ослабленных или карбонатных пород с образованием трещин и полостей, наплавляют на стенки для повышения качества и прочности их крепления несколько слоев, созданных из остатков выбуренного из забоев скважин штыба путем выноса его при выдувании сжатым воздухом из забоев на оснащенные излучателями световой энергии устройства кольцевого наплавления или оплавления и подаваемыми с поверхности в скважины смесями кварцевого песка с необходимыми веществами и материалами для их остеклования в скважинах и наплавления на стенки, либо полностью испаряют выбуренный штыб и подают в скважины только подготовленные на поверхности смеси необходимого состава, наносят эти смеси устройствами кольцевого наплавления или оплавления слоев с использованием вспомогательных боковых или других излучателей световой энергии, расположенных на заданном расстоянии от центральных излучателей в торцах коронок лазерно-механических буровых инструментов с возможностью перемещения их по радиусу и вращения по окружности отдельно или вместе с полыми приводными штангами, после полного сооружения скважин на заданную глубину зашлифовывают стенки путем оплавления искусственно созданных на них слоев и придают им гладкие поверхности и одинаковые диаметры на всем протяжении скважин, при необходимости с использованием изложенных операций осуществляют текущие и капитальные ремонты скважин, очищают стенки скважин, насосно-компрессорные трубы и другое промысловое оборудование от асфальтосмолопарафиновых отложений путем их расплавления и испарения мощным лазерным излучением при многократном перемещении многосторонних излучателей световой энергии по трубам или скважинам сверху вниз и обратно, на вскрытых скважинами после лазерно-механического бурения нефтегазовых и других пластах постепенно увеличивают по мощности, простиранию и падению диаметры добывающих вертикальных, наклонных или горизонтальных скважин на заданную величину с использованием лазерно-механических буровых инструментов с раздвигающимися расширителями скважин, срезают в пределах пластов образованные в процессе бурения для крепления стенок добывающих скважин искусственно наплавленные на них слои из смесей и увеличивают площади притока нефтей и газов из пластов в скважины, в процессе эксплуатации добывающих скважин многократно увеличивают их диаметры и срезают многочисленные последующие слои заданной толщины со стенок скважин в пластах с накопившимися в них за определенный период эксплуатации отложениями парафинов, смол, асфальтенов и улучшают фильтрацию в скважины нефтей и газов из пластов, доводят диаметры скважин до максимально возможных размеров в конкретных условиях залегания пластов с учетом возможностей лазерно-механических буровых инструментов, на нефтегазовых и сланцевых пластах, особенно с низкой проницаемостью и пористостью после достижения максимальных диаметров добывающих скважин из них дополнительно бурят длинные шпуры малых диаметров исполнительными устройствами лазерных установок, при этом значительно увеличивают площади притоков нефтей и газов в скважины и добычу из пластов, при разработке свит из многих нефтегазовых пластов постепенно увеличивают диаметры добывающих скважин по мощности, простиранию и падению на одном или нескольких отрабатываемых пластах в свитах и бурят из них длинные шпуры малых диаметров, при этом подрабатывают или надрабатывают соседние пласты в свитах, расположенные выше или ниже отрабатываемых, на которые еще не пробурены скважины и шпуры, вызывают подвижки горных пород между соседними пластами и в пластах, изменяют системы трещин в массивах горных пород и их напряженно-деформированное состояние, образуют каналы перетока нефтей и газов между пластами в свитах в пробуренные добывающие скважины на уже отрабатываемых соседних пластах и ускоряют отработку всех пластов в свитах при существенном снижении затрат и времени, а при наличии на месторождениях высоковязких нефтей повышают температуру и давление в пластах, снижают вязкость нефтей путем излучения мощной лазерной энергии во внутрипластовые пространства через добывающие скважины и длинные шпуры малых диаметров при введении в них многочисленных излучателей из оптоволоконных кабелей, оптимально располагают на заданном расстоянии друг от друга добывающие скважины и пробуренные из них длинные шпуры малых диаметров по мощности, простиранию, падению пластов и увеличивают их количество, а также уменьшают расстояния между скважинами и пробуренными из них шпурами по мере необходимости для достижения и поддержания заданного уровня добычи нефтей и газов из месторождений.
Способ реализуется следующим образом. На уже эксплуатирующихся месторождениях с пробуренными скважинами и установленными в них для крепления стенок обсадными колоннами из труб и, особенно, на пластах с низкой проницаемостью оптимизируют существующую сетку вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин путем бурения дополнительных добывающих скважин на заранее определенном расстоянии друг от друга. В большинстве или во всех соседних скважинах располагают исполнительные устройства лазерных установок на заданной глубине в добывающих скважинах с помощью насосно-компрессорных труб, с которыми они соединяются с использованием резьбы, подключают их для бурения длинных шпуров малых диаметров по мощности, простиранию и падению пластов с помощью оптоволоконных и электрических кабелей к мощным лазерам и источникам переменного тока на поверхности и из заданных компьютерной программой точек на стенках скважин прорезают отверстия необходимых размеров и формы. Затем бурят из них с большой скоростью благодаря испарению и высокотемпературному разрушению материалов труб, горных пород и пластов мощным лазерным излучением, исходящим из излучателей световой энергии в торцах буровых коронок, многочисленные длинные шпуры малых диаметров из соседних добывающих скважин навстречу друг другу до их взаимного пересечения во внутреннем пространстве пластов по мощности, простиранию и падению. Отклонения шпуров от осей пересечения забоями во внутрипластовых пространствах в пределах от нескольких десятков сантиметров до метров не влияет на эффективность обработки нефтегазовых и других пластов мощным лазерным излучением и на приток нефтей и газов из них в скважины. Длина шпуров малых диаметров - от менее 20 мм и до 40 мм и более изменяется при бурении из соседних добывающих скважин от менее 20 м и до 200 метров и более в зависимости от расстояния между скважинами на месторождениях. Многочисленные длинные шпуры малых диаметров бурятся также и из единичных отдельно расположенных скважин, что тоже приведет к увеличению добычи нефтей и газа из пластов. В процессе их бурения разворачивают гибкие составные короткие буровые штанги на заданный угол от 0 до 180 градусов и более и контролируют по выделенным оптоволокнам (световодам) направления бурения длинных шпуров малого диаметра с помощью лазерных лучей, задающих направления бурения и углы их разворота в пластах и породах, а также определяют состав пород и пластов, значения температур и давлений во внутрипластовых пространствах. Контроль и анализ данных осуществляют с помощью мощных компьютеров на поверхности, которые используется и для математического моделирования происходящих в пластах процессов в объемном формате и оптимизируют расположение скважин и длинных шпуров малых диаметров во внутрипластовых пространствах, особенно на пластах с низкой проницаемостью и пористостью в режиме реального времени для достижения максимального эффекта увеличения степени извлечения нефтей и газов из пластов месторождений.
Лазерные установки, расположенные на поверхности, состоят из нескольких или множества исполнительных устройств (в зависимости от количества обслуживаемых скважин на месторождениях) с комплектами к ним гибких составных коротких буровых штанг с буровыми коронками и излучателями лазерной энергии для бурения длинных шпуров малых диаметров, оптоволоконными и электрическими кабелями и мощными компьютерами. Они могут быть стационарными и передвижными, которые устанавливаются на специальных автомобилях с повышенной проходимостью и оснащены автономными источниками электроэнергии с возможностью подключения к существующим линиям электропередач.
Выбуренный из забоев длинных шпуров малых диаметров штыб полностью испаряют под воздействием мощного лазерного излучения, что значительно увеличивает скорость бурения этих шпуров, а излучатели мощной световой энергии в торцах буровых коронок защищают от повреждения породными частицами, от попадания влаги, нефтей и других веществ линзами из высокопрочных прозрачных материалов, например сапфировыми линзами, изготовленными из выращенных искусственным путем кристаллов, и с их помощью изменяют фокусировку лазерного излучения для усиления или уменьшения его воздействия при изменении прочностных свойств горных пород и пластов или режимов воздействия на них в процессах бурения. При этом бурение длинных шпуров малых диаметров по мощности, простиранию и падению нефтегазовых пластов из соседних добывающих вертикальных, наклонных или горизонтальных скважин для повышения притока нефтей и газов из пластов в скважины и для наиболее полного их извлечения из пластов месторождений осуществляется в любых геологических условиях и всегда является одной из наиболее эффективных операций предложенного способа для обеспечения их интенсивного притока. Даже при наличии пластов с низкой проницаемостью и пористостью всегда получают очень существенное повышение притока нефтей и газов в добывающие скважины при уменьшении расстояния между длинными шпурами малого диаметра и увеличении их диаметров и количества до оптимальных величин, которые определяются на основе практических результатов отработки таких пластов и математического моделирования на компьютерах с использованием их в режиме реального времени. Если ситуация на месторождениях осложняется еще и наличием в пластах высоковязких нефтей, битумов или сланцевых нефтей в керогенах, то повышают температуру, давление в пластах и снижают вязкость нефтей, битумов, а также повышают возможность преобразования керогенов в сланцевые нефти при повышении температуры и улучшают условия их добычи из керогенов путем излучения мощной лазерной энергии во внутрипластовые пространства через скважины и длинные шпуры малых диаметров при введении в них многочисленных излучателей из световодов оптоволоконных кабелей. Оптимально располагают на заданном расстоянии друг от друга добывающие скважины и пробуренные из них длинные шпуры малых диаметров по мощности, простиранию и падению пластов. При необходимости многократно повторяют высокотемпературную обработку пластов мощным лазерным излучением из скважин и шпуров для достижения заданного уровня добычи нефтей и газов из месторождений.
При наличии на месторождениях нефтей с высокими содержаниями парафинов, смол и асфальтенов предложенный способ позволяет повысить устойчивость и надежность работы добывающих скважин по откачке нефтей и газов из пластов при разработке месторождений. В верхних частях скважин происходит их отложение в любое время года, усиливающееся при низких температурах на поверхности, иногда с полным перекрытием сечения труб, и в таких случаях очищают насосно-компрессорные трубы и другое промысловое оборудование, стенки скважин, особенно в зимний период, от асфальтосмолопарафиновых отложений путем их расплавления и испарения мощным лазерным излучением при многократном перемещении излучателей световой энергии на оптоволоконном кабеле с помощью лебедки со специальным барабаном для такого кабеля по трубам или скважинам сверху вниз и обратно. Операции по очистке труб, скважин и другого промыслового оборудования от отложений выполняют по мере необходимости и чаще всего совмещают с бурением длинных шпуров малых диаметров или повышением температуры и давления в пластах, чтобы избежать потерь времени на добычу нефтей и газов из них.
Изложенные выше операции используют и на новых месторождениях. Но разработка новых месторождений будет отличаться от уже эксплуатирующихся месторождений новыми возможностями при бурении добывающих скважин с поверхности до глубины залегания нефтегазовых и других пластов и более эффективными операциями по разработке пластов, связанными с отсутствием необходимости использовать сложные буровые растворы при бурении скважин, необходимости крепления скважин колоннами из обсадных труб и последующим цементированием затрубных пространств. При этом сложные буровые растворы из специальных глин и составов, а также растворы, содержащие цементы, глубоко проникают в трещины и поры призабойных пространств пластов, образуют непроницаемые корки и полностью препятствуют поступлению нефтей и газов в пробуренные добывающие скважины. Для возобновления их притока и восстановления фильтрации и проницаемости пластов до естественных величин проводят дополнительные и дорогостоящие, длительные по времени операции и мероприятия по очистке призабойных зон пластов от корок буровых растворов и цементов и раскачке скважин для начала добычи нефтей и газов. Это не всегда приводит к желаемым результатам и фильтрация из пластов остается ниже тех величин, которые имели место в естественных условиях.
Предложенный способ позволяет избежать этих очень существенных недостатков и на новых месторождениях любые скважины с поверхности бурят на пласты месторождений с использованием лазерно-механического бурения, для чего излучатели световой энергии и оптоволоконные кабели, передающие световую энергию по оптоволокнам от мощных лазеров на поверхности, размещают во внутренних отверстиях механических буровых инструментов с полыми приводными штангами и коронками, окончательно разрушают ими горные породы для придания необходимых диаметров скважинам после воздействия на них мощным лазерным высокотемпературным излучением из торцов буровых коронок, разрушающим и испаряющим породы в процессе бурения скважин, одновременно мощным световым излучением из боковых или других излучателей наплавляют на стенки скважин для их крепления слои из смесей веществ, подготовленных на поверхности, и части выбуренного из скважин штыба или оплавляют стенки скважин для их закрепления при наличии пригодных для этого горных пород. В некоторых случаях при бурении скважин в особо крепких породах, например базальтах, выбуренный штыб полностью испаряют мощным лазерным излучением и стенки скважин не крепят. Такой способ бурения скважин обеспечивает высокие скорости сооружения скважин различных диаметров в крепких породах в широком диапазоне глубин с минимальными затратами времени и материальных средств. Применение лазерно-механических буровых инструментов позволяет бурить значительно большее количество добывающих скважин на любую возможную глубину залегания полезных ископаемых за меньшие промежутки времени и значительно повысить производительность при бурении скважин, а также существенно уменьшить расстояния между добывающими скважинами на нефтегазовых, сланцевых, угольных и других месторождениях, что позволяет отрабатывать их наиболее полно, с минимальными потерями запасов полезных ископаемых и в большом разнообразии условий. Становится возможным даже бурение очень глубоких скважин к геотермальным источникам энергии в земной коре.
Пиковая исходящая мощность лазерного излучения может достигать огромных величин - десятков тысяч киловатт и более и способна разрушить и испарить любое окружающее вещество. Ресурс лазеров достаточно большой и будет постоянно увеличиваться. Для условий бурения скважин и обработки нефтегазовых пластов подходят серийно выпускающиеся многожильные кабели для использования в экстремальных условиях подземного заложения, содержащие несколько десятков оптоволокон (световодов). Это особо стойкие и прочные оптоволоконные кабели, имеющие дополнительные защитные оболочки и стальную броню, а световоды покрыты оболочкой из слоев полимера, которая защищает их от механических повреждений. Внутренняя конструкция кабелей заполняется гелем, предохраняющим от проникновения воздуха и воды внутрь кабелей. Оптоволокна плавают в незамерзающем геле и могут выдерживать температуры ниже минус 40 градусов по Цельсию. В качестве элемента прочности используются стальные тросы, которые находятся в одной оболочке вместе с оптоволоконными кабелями. Все лучи достигают концов оптоволоконных кабелей одновременно. Отраженное лазерное излучение по выделенным оптоволокнам передается в процессе бурения скважин и шпуров в компьютеры на поверхности для обработки информации о составе испаряемых горных пород и пластов, подземных вод, о температурах и давлениях в пластах, о свойствах нефтей и газов и о ряде других параметров горных массивов. Мощные лазеры на поверхности подключаются к электрической сети и на выходе генерируют световое излучение, распространяющееся по световодам оптоволоконных кабелей в заданные участки скважин без потерь. Существующие оптоволоконные кабели имеют полосу пропускания в десятки гигагерц и позволяют передавать излучения лазеров на расстояния в десятки километров. Использование этих возможностей позволяет увеличивать температуру горных пород и пластов мощным лазерным излучением при бурении скважин и длинных шпуров до десятков тысяч градусов по Цельсию, вплоть до состояния плазмы и испарять горные породы и пласты, твердые и жидкие вещества и увеличивать давление в пластах месторождений до заданных величин, что приводит к наиболее полному извлечению нефтей и газов из месторождений.
После полного бурения скважин на заданную глубину их стенки, созданные, в основном, из искусственно наплавленных на них слоев, зашлифовывают путем дополнительного оплавления слоев и придают им гладкие поверхности и одинаковые диаметры на всем протяжении скважин. При необходимости с использованием изложенных операций по сооружению скважин осуществляют текущие и капитальные ремонты скважин. Все эти операции по поддержанию скважин в рабочем состоянии совершают за пределами нефтегазовых, сланцевых и других пластов полезных ископаемых. На тех участках, где добывающие скважины были вначале пробурены по нефтегазовым пластам с креплением их стенок наплавленными слоями, приступают к добыче нефти и газа и для этого срезают образованные в процессе крепления при бурении скважин искусственно наплавленные на стенки скважин слои из смесей выбуренного штыба и поданных с поверхности в скважины веществ или слои пригодных для оплавления горных пород. Постепенно срезают с нефтегазовых пластов последующие слои и увеличивают по мощности, простиранию и падению диаметры добывающих вертикальных, наклонных или горизонтальных скважин на заданную величину с использованием лазерно-механических буровых инструментов с раздвигающимися расширителями скважин полыми внутри для размещения оптоволоконных кабелей и излучателей мощной лазерной энергии для высокотемпературного разрушения и испарения вещества пород и пластов и, таким образом, значительно увеличивают площади притока нефтей и газов в скважины. Затем в процессе эксплуатации добывающих скважин по мере необходимости многократно увеличивают их диаметры и срезают многочисленные последующие слои заданной толщины со стенок скважин в пределах нефтегазовых пластов с накопившимися в них за определенный период эксплуатации отложениями парафинов, смол, асфальтенов и прилипших к ним мельчайших частиц пород и улучшают фильтрацию в скважины нефтей и газов. Доводят диаметры скважин в нефтегазовых пластах до максимально возможных размеров в конкретных условиях залегания пластов с учетом возможностей лазерно-механических буровых инструментов, конструкция которых позволяет перемещать их по скважинам в сложенном виде и постепенно раскрывать их на необходимую величину на разбуриваемых участках пластов для срезания многочисленных слоев заданной толщины при увеличении диаметров добывающих скважин. После достижения максимальных диаметров добывающих скважин из них на следующем этапе бурят исполнительными устройствами лазерных установок длинные шпуры малых диаметров для последующего увеличения притока нефтей и газов в добывающие скважины за счет дальнейшего увеличения охваченных фильтрацией площадей в пластах. При этом максимально увеличивают площади притоков нефтей и газов из пластов в скважины, особенно при увеличении длины шпуров, их диаметров и уменьшении расстояния между ними. Тогда появляется возможность извлекать запасы нефтей и газов и из законтурных пространств залежей на месторождениях, которые считаются неизвлекаемыми, и даже из пород и пластов - неколлекторов с очень низкой проницаемостью и пористостью при перетоках и больших площадях контактов с ними пластов - коллекторов с хорошей проницаемостью при наличии пробуренных по ним добывающих скважин с большими диаметрами после их расширения путем срезания многочисленных слоев по пластам, особенно в наклонных и горизонтальных скважинах, что наиболее эффективно при разработке свит из многих пластов различной мощности со сложными геологическими условиями формирования: надвигами, сбросами, разрывами сплошности пластов и другими осложнениями. Такая последовательность операций при разработке месторождений позволяет значительно повысить эффективность недропользования и наиболее полно извлекать из них нефть и газ.
При наличии свит из многих нефтегазовых пластов операции по увеличению диаметров добывающих скважин по мощности, простиранию, падению пластов и бурению из них многочисленных длинных шпуров малых диаметров на одном или нескольких соседних пластах свиты приводят к подработке или надработке соседних близко расположенных пластов в свите выше или ниже отрабатываемых, что вызывает изменение напряженно-деформированного состояния горных пород между соседними пластами и в самих пластах, образование значительных подвижек пород и пластов, появление дополнительных систем трещин и многочисленных каналов перетоков нефтей и газов из соседних пластов, на которые еще не пробурены добывающие скважины или длинные шпуры малых диаметров. По системам новых трещин и каналам происходит переток нефтей и газов в пробуренные скважины на соседних отрабатываемых пластах. Появляется возможность добывать нефть и газ из соседних пластов в свитах без бурения на них добывающих скважин, а для усиления притока достаточно будет спустя некоторое время после подработки или надработки выше и ниже расположенных соседних пластов в свитах дополнительно пробурить на них длинные шпуры малых диаметров из добывающих скважин, пробуренных на уже отрабатываемых в свитах соседних близко расположенных пластах и повысить эффект от отработки всей свиты из многих пластов за счет использования взаимовлияния пластов при осуществлении операций подработки и надработки, что позволяет отработать даже пласты с низкой проницаемостью и пористостью коллекторов.
После такого порядка отработки соседних пластов в свитах происходит еще и снижение горного давления на подработанные и надработанные соседние пласты в свитах от вышележащей толщи горных пород за счет образования значительных подвижек пород и пластов. При этом увеличивается проницаемость и степень раскрытия трещин и пор в породах нефтегазовых пластов, сланцах, углях и значительно возрастает фильтрация нефтей и газов в добывающие скважины, а также происходит формирование новых дренирующих и фильтрующих их макросистем, позволяющих извлекать всю подвижную нефть и газ из свит пластов, особенно на окончательных стадиях отработки месторождений, когда произойдут максимальные подвижки в пластах и вмещающих их горных породах. Благодаря изложенным операциям значительно сокращают время отработки всех пластов в свитах месторождений, повышают производительность работ по добыче нефтей и газов и существенно уменьшают материальные затраты, получают значительный экономический эффект от отработки свит из многих нефтегазовых пластов независимо от геологических условий их образования и возникших при этом тектонических осложнениях залегания пластов. По полученным экспериментальным результатам и с использованием моделирования на компьютерах в объемном формате определяют оптимальное расположение добывающих скважин и длинных шпуров малых диаметров в свитах из многих нефтегазовых пластов, а также порядок и последовательность отработки пластов в свитах месторождений в наиболее короткие сроки с максимальной эффективностью добычи нефтей и газов и минимальными затратами средств.
Изобретение поясняется чертежами, на которых на Фиг.1 и Фиг.2 представлены схемы реализации способа разработки месторождений нефтей и газов с использованием мощного лазерного излучения для их наиболее полного извлечения.
На Фиг.1 изображен вертикальный разрез массива горных пород, на котором показана возможная схема расположения наклонно-горизонтальных добывающих скважин 1 в нефтегазовом пласте 9 большой мощности с размещенными в них исполнительными устройствами 3 лазерной установки на заданной глубине с помощью насосно-компрессорных труб 2, с которыми они соединены с помощью резьбы. Также на Фиг.1 изображен горизонтальный разрез по линии А - А по скважине 1 и по простиранию пласта 9 под названием «Вид по А - А». Из приведенных на возможной схеме разработки мощного нефтегазового пласта с использованием мощного лазерного излучения на уже давно эксплуатирующемся месторождении с пробуренными добывающими скважинами 1 и установленными в них для крепления стенок обсадными колоннами из металлических труб следует, что исполнительные устройства 3 с гибкими составными буровыми штангами и коронками 4, в торцах которых расположены излучатели лазерной энергии, подключают с помощью оптоволоконных кабелей к мощному лазеру на поверхности и к источнику переменного тока с использованием электрических кабелей, причем эти кабели располагают внутри насосно-компрессрных труб 2. Из заданных точек, координаты которых запрограммированы в исполнительных устройствах 3 лазерной установки, бурят с большой скоростью благодаря испарению и высокотемпературному разрушению пласта 9, который размещен между изолирующими его от остальных горных пород в их массиве непроницаемыми для нефти, газа и пластовых вод глинистыми породами кровли 8 и подошвы 7, с использованием мощного лазерного излучения, исходящего из излучателей световой энергии в торцах гибких составных буровых штанг с коронками 4 многочисленные длинные шпуры 5 и 6 малых диаметров - менее 20 мм и до 40 мм и более из соседних добывающих скважин 1 навстречу друг другу до их взаимного пересечения в пространстве пласта 9 по мощности (шпуры 6) и по простиранию (шпуры 5). В процессе бурения допускаются отклонения шпуров от их осей при взаимном пересечении в пласте от десятков сантиметров до нескольких метров при бурении навстречу друг другу и это не влияет на эффективность притока нефти и газа из них в добывающие скважины, потому что площади их притоков в длинные шпуры малых диаметров из пласта исчисляются многими десятками и сотнями метров. При бурении длинных шпуров малых диаметров разворачивают гибкие составные буровые штанги с коронками на торцах 4 в породах пласта на заданный угол от 0 до 180 градусов и более и контролируют по выделенным в кабеле оптоволокнам направления бурения длинных шпуров малых диаметров с помощью лазерных лучей, а когда необходима высокая точность их стыковки - еще и с помощью гироскопов, задающих вместе с лазерными лучами направление бурения и углы их разворота в пласте 9, а также при испарении пород пласта определяют их состав, значения температур и давлений и других параметров во внутрипластовом пространстве, используя возможности анализа полученных данных при их компьютерной обработке на поверхности. Длина шпуров малых диаметров 5 и 6 может изменяться в зависимости от расстояния между пробуренными добывающими скважинами 1 от менее 20 м и до 200 метров и более, а расстояние между осями длинных шпуров малых диаметров будет изменяться в зависимости от проницаемости пород пластов, интенсивности фильтрации из них нефтей и газов, а также вязкостей нефтей и может составлять от менее 5 м и до 50 метров и более. Выбуренный из забоев длинных шпуров малых диаметров штыб полностью испаряют под воздействием мощного лазерного излучения, а излучатели световой энергии защищают от влаги, нефтей и мелких породных частиц линзами из высокопрочных прозрачных материалов, например сапфировыми линзами, изготовленными из искусственно выращенных кристаллов, и с их помощью изменяют фокусировку мощного лазерного излучения для усиления или уменьшения его воздействия при изменении прочностных свойств горных пород, пластов и при воздействии на них в различных режимах, например при полном испарении выбуренного из скважин и шпуров штыба или при наплавлении или остекловании слоев на стенках скважин, изготовленных из подаваемых с поверхности смесей, или при оплавлении горных пород на стенках, если их состав позволяет это осуществить. Длинные шпуры малых диаметров особенно целесообразно бурить из добывающих скважин исполнительными устройствами лазерных установок в большом количестве и на незначительных расстояниях друг от друга на низкопроницаемых нефтегазовых пластах с высоковязкими нефтями и на сланцевых пластах для добычи сланцевых нефтей и сланцевого газа. Для добычи сланцевого газа из сланцевых пластов из пробуренных по ним добывающих скважин бурят шпуры малых диаметров и максимально возможной в конкретных условиях длины на оптимальных расстояниях друг от друга в зависимости от размеров замкнутых полостей в пластах, в которых заключен сланцевый газ. Длинные шпуры на пути бурения по мощности, простиранию и падению пластов будут внедряться в максимальное количество замкнутых полостей с газом в сланцевых пластах и дренировать его в добывающие скважины. При наличии в пластах керогенов, из которых могут быть получены сланцевые нефти при повышении температуры во внутрипластовых пространствах, для их добычи бурят из расположенных на оптимальном расстоянии друг от друга добывающих скважин большое количество шпуров, при этом их диаметры увеличивают до максимально возможных в данных условиях размеров, а длину и расстояние между их осями уменьшают для получения максимального эффекта, вводят в них многочисленные излучатели мощной световой энергии из оптоволоконных кабелей и при повышении внутрипластовых температур после прогрева до 500-550 градусов по Цельсию из керогенов образовывается сланцевая нефть, которая при одновременном повышении давления поступает в добывающие скважины из пластов.
Горные породы и пласты начинают испаряться при воздействии на них мощным лазерным излучением при температуре свыше 750 градусов по Цельсию, а некоторые минералы и при еще более низкой температуре, особенно в карбонатных породах. В результате в таких породах образуются крупные трещины, каналы и полости. При температурах, превышающих 950 градусов по Цельсию, начинают испаряться все минералы с выделением воды, углекислого газа, диоксида серы и других газов, при температурах от 1450 градусов из пород испаряется оксид кремния с примесями других газов, а при температурах выше 1750 градусов из пород и пластов выделяются метан и аммиак. При дальнейшем повышении температуры большинство пород переходит в газообразное состояние.
На Фиг.1 длинные шпуры малых диаметров 5, пробуренные по простиранию мощного пласта 9, и длинные шпуры 6, пробуренные по мощности пласта 9, расположены на оптимальном расстоянии друг от друга во внутрипластовом пространстве и такое расположение обеспечивает наиболее полное и эффективное извлечение нефти и газа из пласта 9 при заранее известной его проницаемости и заключенных в нем извлекаемых запасов полезных ископаемых. При изменении в процессе отработки пласта 9 определенных свойств и показателей сетка бурения и параметры длинных шпуров малых диаметров 5 и 6 в пласте могут быть также изменены с увеличением или уменьшением расстояний между шпурами и их длин и диаметров для поддержания добычи нефти и газа на заданном уровне, а также могут быть повышены внутрипластовая температура и давление. Благодаря тому, что добывающие скважины 1 и длинные шпуры малых диаметров 5 и 6, пробуренные по мощности и по простиранию пласта 1, равномерно перекрывают большие площади и все пространство пласта 1, становится возможным извлечение даже забалансовых запасов нефти и газа при их перетоках по системам трещин и каналов в областях их интенсивной добычи, которые не учитывались при расчете извлекаемых запасов как объект возможной добычи.
На Фиг.2 изображен вертикальный разрез массива горных пород, на котором показана возможная схема расположения в вертикальной добывающей скважине лазерно-механического бурового инструмента для бурения скважины и последующего расширения ее диаметра при постепенном срезании многочисленных слоев заданной толщины по всей мощности нефтегазового пласта.
На новом месторождении вертикальную добывающую скважину 4 бурят с поверхности на нефтегазовый пласт 6 с использованием лазерно-механического бурения, для чего излучатели и оптоволоконный кабель 1, состоящий из множества оптоволокон (световодов), передающих световую энергию без потерь от мощного лазера, расположенного на поверхности, до излучателей световой энергии в скважине, размещают во внутренних отверстиях лазерно-механического бурового инструмента с полыми приводными буровыми штангами 3, в которых размещены и устройства, предохраняющие оптоволоконный кабель от закручивания 2. После воздейстивия мощным лазерным высокотемпературным излучением 14, разрушающим и испаряющим горные породы кровли 5, мощного нефтегазового пласта 6 и его подошвы 10, исходящим из центрального излучателя 13, расположенного в торце центральной буровой коронки 11, и выдвижных вспомогательных боковых излучателей 12 окончательно разрушают центральной буровой коронкой 11 и боковыми коронками на раздвигающемся расширителе скважины 8 горные породы для придания необходимого диаметра скважине 4. В процессе бурения вертикальной добывающей скважины 4 для крепления ее стенок от обрушения одновременно либо оплавляют стенки скважины при наличии пригодных для этого горных пород мощным световым излучением 14 из боковых излучателей 12, либо наплавляют на стенки слои из смесей подготовленных на поверхности веществ и остатков выбуренного из забоя скважины штыба, либо полностью испаряют выбуренный из забоя штыб мощным лазерным излучением 14 и тогда наносят слои на стенки скважины 4 только путем наплавления смесей, подаваемых в скважину с поверхности. Искусственно наплавленные на стенки скважины 4 слои приходится использовать для крепления стенок скважины 4, потому что не все горные породы могут быть оплавлены и не во всех условиях бурения скважины 4. Например, карбонатные горные породы и некоторые другие оплавлять очень сложно или вовсе невозможно из-за быстрого разрушения и испарения имеющихся в них в виде включений слабых минералов типа кальцита, доломита, мергеля, известняка и других, которые быстро испаряются при мощном световом воздействии и в стенках скважины могут образовываться полости и трещины. В таких и других случаях регулируют мощность лазерного излучения путем изменения фокусировки прозрачных защитных, например, сапфировых линз (они изготавливаются из искусственно выращенных кристаллов) излучателей 12 для уменьшения (большего рассеяния) или увеличения и концентрации светового излучения при изменении прочностных свойств горных пород и пластов, или при изменении режимов воздействия: либо наплавления на стенки смесей (иногда даже в несколько слоев) различных составов для их крепления, либо оплавления пригодных для этого горных пород, либо для полного испарения вещества, горных пород и пластов. При появлении в скважинах водопритоков или участков ослабленных, например, карбонатных горных пород с образованием полостей и трещин после воздействия на них мощного лазерного излучения, наплавляют на стенки для повышения качества и прочности их крепления несколько слоев, созданных из оставшегося после испарения выбуренного из забоев скважин штыба путем выноса его при выдувании сжатым воздухом из забоев на оснащенные излучателями лазерной энергии устройства кольцевого наплавления или оплавления 15 и подаваемыми с поверхности в скважины смесями кварцевого песка с другими необходимыми веществами, например окисью свинца, и материалами для их остеклования в скважинах и наплавления на стенки, либо полностью испаряют выбуренный в забоях скважин штыб и подают в них только подготовленные на поверхности смеси для наплавления на стенки скважин в качестве крепления от обрушений. Все эти смеси наносят устройством 15 кольцевого наплавления смесей на стенки или оплавления пород и пластов в скважинах с изменяющимся диаметром и расположенными в нем излучателями мощной световой энергии с использованием вспомогательных боковых излучателей 12 лазерной энергии, расположенных на заданном расстоянии от центральной коронки лазерно-механического бурового инструмента с возможностью перемещения их по радиусу и вращения по окружности отдельно или вместе с полыми приводными буровыми штангами.
При необходимости с использованием изложенных операций осуществляют текущий и капитальный ремонт скважины 4 с применением для этого раздвигающегося расширителя скважин 8 с боковыми коронками для придания скважине заданного диаметра с помощью лазерно-механического бурового инструмента.
Образовавшийся от ремонта скважины мусор, обрушившиеся частицы пород и куски разрушенных наплавленных на стенки слоев попадают в зумпф скважины 9, служащий, в основном, для сбора различного мусора из скважины, иногда для обеспечения удобства спуска оборудования ниже подошвы пласта 6. После полного сооружения скважины 4 на заданную глубину зашлифовывают ее стенки путем оплавления искусственно созданных на них слоев и придают им гладкие поверхности и одинаковый диаметр на всем протяжении скважины 4, кроме ее участка, на котором вскрыт мощный нефтегазовый пласт 6. На вскрытом вертикальной добывающей скважиной 4 участке нефтегазового пласта 6 постепенно увеличивают диаметр скважины по всей мощности пласта 6 на заданную величину с использованием лазерно-механического бурового инструмента с раздвигающимся расширителем скважин 8 с боковыми коронками и для этого срезают ими образованные для крепления стенок в процессе бурения скважины 4 искусственно наплавленные на стенки слои из смесей при постепенном перемещении бурового инструмента в пределах пласта сверху вниз и обратно по скважине. В процессе эксплуатации добывающей скважины многократно увеличивают ее диаметр и срезают лазерно-механическим буровым инструментом многочисленные последующие слои 7 заданной толщины со стенок скважины 4 в пласте 6 с накопившимися в них за определенный период эксплуатации скважины отложениями парафинов, смол, асфальтенов и улучшают фильтрацию в скважину нефти и газа из пласта, а также увеличивают площадь их притока. Доводят диаметр скважины до максимально возможных размеров в конкретных условиях залегания пласта с учетом возможностей лазерно-механического бурового инструмента. При этом максимально увеличивают площадь притока нефти и газа из пласта 6 в скважину 4 и количество добытых из пласта нефти и газа. После значительного срока эксплуатации добывающей скважины 4 и некоторого неизбежного снижения ее дебита, из нее в заданных точках на стенках по окружности бурят исполнительным устройством лазерной установки по всей мощности пласта 6 многочисленные длинные шпуры малых диаметров навстречу таким же шпурам, пробуренным из соседних добывающих скважин, расположенных на этом же пласте 6, и опять значительно увеличивают приток нефти и газа в скважину за счет очень существенного увеличения площадей их притока из пласта, что в конечном итоге приводит к, практически, полному их извлечению из пласта и сокращает время его эффективной отработки.
В настоящее время применяемые способы разработки нефтегазовых и сланцевых месторождений не имеют технических возможностей бурить большое количество длинных шпуров малых диаметров из добывающих скважин по пластам и породам для равномерного покрытия ими больших площадей во внутрипластовых пространствах и, таким образом, создать условия на месторождениях нефтей и газов для их наиболее эффективного и полного извлечения из пластов. Используемые в настоящее время технологии гидроразрывов нефтегазовых и сланцевых пластов способны создать лишь немногочисленные трещины (при выполнении одного цикла гидроразрыва пласта создают только одну трещину с раскрытием ее на миллиметры) с неизвестными направлениями их распространения во внутрипластовых пространствах, причем трещины гидроразрывов быстро сжимаются горным давлением несмотря на закачку в них распирающих материалов в виде кварцевого песка, мелкой дроби и других веществ и приток нефтей и газов из пластов значительно сокращается или прекращается, особенно при частых прорывах пластовых вод в добывающие скважины при случайных и непредвиденных попаданиях трещин в водоносные слои или горизонты. На сланцевых пластах в значительные количества закачиваемых в пласты жидкостей для множественных гидроразрывов пластов для повышения их эффективности добавляют большое количество химических компонентов и веществ, отравляющих окружающие месторождения территории. Эти технологии не могут обеспечить высокую эффективность и требуемую степень извлечения нефтей и газов из месторождений и наносят существенный экологический вред окружающей среде.
Предложенный способ является экологически чистым по сравнению с применяемыми в настоящее время технологиями, которые загрязняют и отравляют окружающие месторождения территории используемыми для добычи нефтей и газов химическими веществами, отходами производства и разливами из давно и не полностью отработанных скважин и неизвлеченных из пластов нефтей, а также выбросами в атмосферу газов, например метана, вызывающего парниковый эффект. Способ также позволяет наиболее полно и с высокой производительностью извлекать нефти и газы из месторождений и получать значительные экономические эффекты при его использовании как на новых, так и на уже давно эксплуатируемых месторождениях. С его помощью можно эффективно уничтожать подземные захоронения и могильники с отходами вредных радиоактивных и химических веществ, испаряя их под землей мощным лазерным излучением. Этим способом также можно добиться выплавления в подземные выработки из рудных тел, линз и жил содержащихся в них металлов, например, таких как железо, медь, никель, алюминий, серебро, золото, платина и других.