ЭЛЕКТРОРАЗРЫВ ПЛАСТОВ
FORMATIONS ELECTRIC FRACTURING

Область техники, к которой относится изобретение
Объектом настоящего изобретения является способ повышения добычи углеводородов в пластах с относительно низкой проницаемостью.
Уровень техники
Способ разрыва пластов путем пропускания импульсов тока между электродами обсуждался, например, Мелтоном и Кроссом в журнале "Ежеквартальное обозрение" Колорадского горного института (Июль, 1967), 62, №3, стр. 45-60 ("Мелтон"), в которой рассматривался способ пропускания коротких, мощных электрических импульсов через нефтеносные сланцы в пойме реки Грин-Ривер с целью создания горизонтальных проницаемых каналов для последующего огневого заводнения с целью разогрева нефтеносных сланцев и добычи углеводородов методом термического крекинга керогена. Были приведены результаты полевых испытаний, которые свидетельствовали о том, что с помощью высоковольтных электрических импульсов удавалось создавать зоны повышенной проницаемости между стволами скважин, находившимися на расстоянии до 115 футов (35,1 м) друг от друга.
Как правило, для повышения производительности пластов низкой проницаемости используется гидроразрыв. Трещины, образующиеся в результате гидроразрыва пласта, удерживаются в открытом состоянии с помощью проппанта, например, песка с конкретным распределением размеров. С помощью гидроразрыва пласта удается получить намного более значительную поверхность для миграции углеводородов сквозь пласт низкой проницаемости. Усовершенствование технологии гидроразрыва пласта позволило добиться рентабельной добычи природного газа и жидких легких углеводородов из пластов, разработка которых ранее считалась нецелесообразной. Однако, несмотря на то, что гидроразрывы пласта обеспечивают возможность рентабельной добычи из пластов низкой проницаемости, гидравлические разрывы (трещины) увеличивают напряженное состояние пласта вследствие сжатия пласта для образования объема, необходимого для трещины. Это повышенное напряжение в пласте приводит к снижению его проницаемости. Кроме того, проведение гидроразрывов пласта может составлять значительную часть стоимости работ по бурению и заканчиванию скважин, и требует закачки в пласт и последующего удаления из пласта больших объемов воды.
Электрическое разрушение породы рассматривается в источнике В.S. Harper, "Nederburt Nimer" Института горного дела и металлургии ЮАР, Тонкие пласты и жилы, 2008. Электрические плазменные дуги рассматриваются в качестве средства для удаления породы с целью разработки тонких жил золотосодержащей руды.
Размещение электродов в гидравлических разрывах пласта рассматривается, например, в документе US 7,631,691. В данном патенте электрическое напряжение прикладывается поперек разрыва с целью разогрева пласта для пиролиза керогена внутри пласта.
Раскрытие изобретения
Предлагается способ добычи углеводородов из пласта, содержащий следующие этапы: установку пары электродов в пласте; подачу импульсов различных напряжений между парами электродов, причем разность потенциалов между электродами, по меньшей мере, больше 10000 В, или, в других вариантах осуществления, больше 100000 В; и добычу углеводородов из пласта или прилегающего пласта, причем начальная проницаемость пласта меньше 10 мД. Напряжение может прикладываться несколькими импульсами, продолжительность которых может быть, например, менее 500 нсек. Электроды могут быть расположены, например, на расстоянии от 10 м до 300 м друг от друга. Данный способ обеспечивает создание проницаемости путем удаления массы, что также обеспечивает уменьшение напряжения в пласте. Данный способ может оказаться полезным для продуктивных пластов с низкой начальной проницаемостью, например, в диапазоне от 0,00001 мД до 10,0 мД. Добытые углеводороды могут представлять собой в основном природный газ, сланцевую нефть или их сочетания. Импульсы высокого напряжения могут вызывать плазменные разряды, которые могут проходить по случайным путям между электродами.
В одном из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения электроды могут быть сформированы путем помещения электропроводящих проппантов в трещины гидравлических разрывов и обеспечения большой площади, с которой могут испускаться импульсы электроэнергии. Чередующиеся разрывы, например, отходящие от горизонтального ствола, могут быть заполнены противоположно заряженными электродами. Затем из пласта можно удалять массу между двумя электродами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показано расположение электродов в параллельных горизонтальных стволах скважин с целью реализации настоящего изобретения;
на фиг. 2 - два параллельных разрыва, заполненных проводящим проппантом, используемым в качестве электродов для реализации настоящего изобретения;
на фиг. 3 - горизонтальные стволы скважин, расположенных ниже углеводородсодержащего пласта, когда настоящее изобретение используется для создания разрывов в углеводород со держащем пласте;
на фиг. 4 - два параллельных ствола скважин, в которых настоящее изобретение используется для организации проскальзывания между двумя плоскостями пласта;
на фиг. 5 - альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение служит для создания проницаемости в пласте за счет нескольких механизмов. Одним из механизмов является физическое удаление массы породы путем разложения или испарения части породы с помощью плазменной дуги, создаваемой импульсами различного напряжения между электродами. Примерами разложения породы могут служить разложение доломита или разложение кальцита. Разложение доломита может происходить, например, при температуре, по меньшей мере, 530°С, что приводит к потере 21% массы твердого доломита в результате реакции:
3
3
2
CaMg(CO)→MgO+CaCO+CO
Разложение кальцита может происходить при температуре приблизительно от 900°С до 1000°С и приводит к потере около 44% начальной массы кальцита.
Для каждой пары мест расположения электродов удаление породы будет происходить в основном на пути между данными местами расположения электродов. Поскольку пласты не являются гомогенными, путь удаления породы не будет являться прямой линией, а будет проходить по пути наименьшего сопротивления между электродами. В каменноугольных свитах или в пластах нефтеносных сланцев наличие углерода приведет к тому, что первая дуга будет формировать более проводимый канал, а последующие дуги будут проходить по этому каналу. В пластах, не содержащих больших количеств углеводородов, таких как низкопроницаемые газовые коллекторы, результат будет иным. В этом случае будет тенденция к передаче дуг по поверхности твердых минеральных веществ. Если дуга вызовет удаление твердых минеральных веществ, вместо прохождения по аналогичному пути, какой-то другой путь станет путем наименьшего электрического сопротивления, и, следовательно, электрические дуги будут стремиться удалять породные массы по линии между электродами, но будут делать это по множественным путям.
В целом, удаление породы из пласта будет снижать напряжение в пласте и увеличивать проницаемость и пористость пласта. Степень снижения напряжения в пласте и повышения его проницаемости и пористости будут зависеть от того, сколько покрывающей породы переведено в другие места. Этот эффект называется "выдавливанием горных пород". В одном крайнем случае, для удаления значительной массы из малой области пласта, который не является пластичным и обладает низкой способностью к сжатию, напряжение может быть значительно уменьшено, поскольку не происходит сжатие пласта внутрь с замещением удаленной породы. Противоположный крайний случай представляет собой очень слабо консолидированный пласт. Удаление породных масс из слабоуплотненного пласта со слабо консолидированной покрывающей породой будет оказывать очень незначительное влияние на напряжение, проницаемость и пористость, поскольку в этом случае будет происходить лишь незначительное (если вообще будет происходить) выдавливание горных пород. Настоящее изобретение обеспечивает удаление достаточных количеств породных масс для ощутимого снижения напряжения в пласте, по меньшей мере, на 5% от начального напряжения.
На фиг. 1 показаны два параллельных скважинных ствола 101 и 102, в каждом из которых установлены электрод 103 и 104 и плазменная импульсная генерирующая система 105 и 106. Данные стволы скважин могут быть как необсаженными (открытыми), так и законченными, обсаженными стволами. Если скважинные стволы являются обсаженными в пласте, в котором предполагается проводить электроразрыв, они могут быть зацементированы электропроводным цементом, или же обсадные колонны могут быть удлинены с целью образования контакта с пластом. Если стволы скважин обсажены, обсадные колонны могут быть электрически изолированы от обсадных колонн и системы труб вне пласта, в котором предполагается производить обработку согласно настоящему изобретению. В другом варианте осуществления изобретения обсадная колонна может представлять собой сегменты электропроводной обсадной колонны, соединенные друг с другом сегментами, которые являются неэлектропроводными. Неэлектропроводные сегменты обсадной колонны могут быть выполнены, например, из стекловолокна и могут иметь длину, достаточную для того, чтобы плазменный импульс не создавал электрическую дугу за пределами неэлектропроводного сегмента. Электроды 103 и 104 могут иметь достаточную площадь контакта либо со стволом скважины, либо с обсадной колонной, что достигается, например, запрессовкой с помощью пакера или расширяемой мандрели, например, аналогичной той, что описана в документе US 7,131,498, с целью уменьшения электрического сопротивления в радиальном направлении наружу. Создание хорошего электрического контакта между электродом и стволом скважины или обсадной колонной обеспечит снижение напряжений, требуемых для того, чтобы минеральные вещества пласта могли проводить электричество между двумя электродами. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ствол скважины может быть открытым.
На обоих торцах каждого электрода могут быть установлены электроизолирующие секции, содержащие эластичные расширяющиеся уплотнения, служащие для минимизации потерь электрического тока от электродов к скважинным флюидам.
Плазменные импульсные генерирующие системы 105 и 106 могут располагаться рядом с электродами с целью минимизации потерь мощности между двумя элементами; при этом соединения электродов с плазменными системами должны обладать достаточно низким электрическим сопротивлением, и плазменная импульсная генерирующая система может быть установлена на расстоянии. Электрические вводы 107 и 108 служат для подвода электропитания к плазменным импульсным генерирующим системам 105 и 106, а также, в рассматриваемом варианте осуществления изобретения, для перемещения электродов по стволу скважины. Кроме того, электрические вводы могут служить опорой для кабельных каналов для подачи управляющих сигналов в систему.
Плазменные импульсные генерирующие системы могут быть системами, аналогичными раскрытым Мелтоном, или системам, используемым компанией "Новас энерджи сервисиз". Как правило, данные системы получают заряды высокого напряжения из батареи энергонакопительных конденсаторов, и затем передают заряды по калиброванным проводникам на электроды в виде импульсов короткой продолжительности.
Когда между электродами 103 и 104 возникают электрические импульсы достаточно высокого напряжения, между ними образуется плазменная дуга 109. Электрическая дуга проходит по поверхностям минералов по пути минимального электрического сопротивления между двумя электродами. На протяжении данного пути возникают пары за счет испарения воды, а также разложения и испарения минеральных составляющих пласта. В частности, из карбонатов, присутствующих в минералах пласта, может образовываться углекислый газ. Кроме того, в результате разложения углеводородов могут образовываться углерод и углеводород, а также сероводород, углекислый газ и другие продукты, в зависимости от состава углеводородов. При наличии достаточно больших количеств углеводородов остаточный углерод может образовывать путь с меньшим электрическим сопротивлением, в результате чего последующие дуги могут проходить по данному пути. При меньшем количестве углеводородов или углерода, после того, как электрические дуги удалят определенное количество минерального материала с первоначального пути наименьшего электрического сопротивления, сопротивление на данном пути начнет возрастать. Таким образом, вместо одного ярко выраженного пути будет последовательно образовываться множество различных путей, каждый из которых, в целом, будет проходить вдоль линии, соединяющей электроды, но будет извиваться вокруг данной линии в соответствии с изменением объемов пустот и, следовательно, электрического сопротивления.
Эффективная проницаемость пласта увеличивается не только за счет удаления породных масс, но и в результате быстрого испарения воды и/или углекислого газа из карбонатов или углеводородов, что приводит к возникновению высоких локальных поровых давлений, которые могут вызывать микроразрывы вокруг пути прохождения плазмы.
Для электроразрыва пласта согласно настоящему изобретению могут использоваться горизонтально проходящие параллельные стволы скважин, в которых могут быть установлены электроды. В качестве варианта, стволы скважин могут быть вертикальными или могут проходить так, что они не будут параллельными. Согласно настоящему изобретению, электроразрыв пласта может производиться между электродами, установленными в двух точках в двух разных скважинных стволах, после чего электроды можно переместить и произвести электроразрыв пласта между двумя другими точками. В результате могут возникать различные линии разрыва, расположенные достаточно близко к соседним линиям разрыва, так что практически образуется плоскость разорванного пласта между двумя скважинными стволами.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения линии электроразрыва, соединяющие точки расположения электродов, могут быть практически перпендикулярны плоскости природных трещин 110. Несмотря на то, что плоскость природных трещин не всегда перпендикулярна направлению минимального напряжения, природные трещины, как правило, в целом перпендикулярны направлению минимального напряжения. Любые проводимые в пласте гидравлические разрывы также будут стремиться распространяться в плоскости, перпендикулярной направлению минимального напряжения. Электроразрывы, произведенные практически перпендикулярно направлению минимального напряжения, таким образом, будут стремиться соединяться с большим количеством природных трещин и гидравлических разрывов и образовывать более распространенную систему трещин для обеспечения поступления углеводородов в ствол скважины. Линии электроразрывов, соединяющие точки расположения электродов, таким образом, могут располагаться преимущественно параллельно направлению минимального напряжения в пласте. Как вариант, если плоскость природных трещин известна, линии электроразрывов, соединяющие точки расположения электродов, таким образом, могут располагаться преимущественно параллельно направлению данных природных трещин.
Пласт 111, в котором предполагается проводить электроразрыв пласта согласно настоящему изобретению, может представлять собой углеводородосодержащий пласт. После образования электроразрывов можно осуществлять добычу углеводородов из углеводородосодержащего пласта.
Настоящее изобретение также может применяться к пластам, которые называют низкопроницаемыми газовыми коллекторами. Низкопроницаемые газовые коллекторы могут иметь пористость от 2% до 10%, в отличие от большинства углеводородных коллекторов, пористость которых составляет от 20% до 35%. Проницаемость низкопроницаемых газовых коллекторов может составлять от 0,00001 мД до 0,001 мД. В прошлом рентабельная добыча углеводородов из таких пластов, как правило, была осуществима только при условии проведения множественных гидроразрывов пласта с целью увеличения притока углеводородов в стволы добывающих скважин. Отрицательное влияние проведения гидроразрывов пласта заключается в том, что при проведении гидроразрывов пласта происходит сжатие минералов в пласте, что приводит к увеличению напряжения в пласте. Данное увеличение напряжения в пласте оказывает отрицательное влияние на проницаемость. Предлагаемый настоящим изобретением способ, удаляя массы минералов, уменьшает напряжение в пласте, в результате чего открываются природные трещины и повышается проницаемость. После проведения электроразрывов пласта эффективная проницаемость пласта может возрастать на величину от 10% до 10000%; при этом эффективная проницаемость определяется как среднее значение проницаемости грунта в объеме между электродами, где объем между электродами определяется как объем цилиндра с диаметром, равным длине электродов, расположенного вокруг линии, соединяющей центры электродов.
-6
-4
При необходимости, воздействие на пласт плазменной энергии в течение достаточного периода времени может обеспечивать удаление, например, части, составляющей от 10 до 10, минеральной массы из пласта между электродами, где масса между электродами определяется как масса вещества в цилиндре с диаметром, равным длине электродов, расположенным вокруг линии, соединяющей центры электродов.
После проведения электроразрывов пласта и извлечения электродов из стволов скважин можно приступать к добыче углеводородов с помощью добывающих скважин. Добываемые углеводороды могут представлять собой природный газ.
На фиг. 2 показан ствол скважины 201 с горизонтальной секцией 202 в пласте 200 с двумя гидравлическими разрывами 204 и 205, трещины которых заполнены электропроводящим проппантом 206. Ствол скважины проходит, в основном, в направлении минимального напряжения в пласте, поэтому направление распространения гидроразрывов будет, в основном, перпендикулярно направлению прохождения горизонтального ствола скважины. Два источника электропитания 207 и 208 в стволе скважины установлены в плоскостях гидроразрывов и электрически соединены с электропроводным проппантом в трещинах гидроразрывов. Плазменные импульсные генерирующие системы 209 и 210 установлены в стволе скважины рядом с электродами. Электрический ввод 211 служит для подвода электропитания от источника к плазменным импульсным генерирующим системам 209 и 210, а также может использоваться в качестве средства для перемещения электродов по стволу скважины.
Электрические импульсы передаются от источников электропитания через проппант с целью формирования электродов, которые практически заполняют гидроразрывы 204 и 205. Поскольку электрическое сопротивление в разрыве значительно меньше электрического сопротивления самого пласта, можно осуществлять подачу высокого напряжения на большую площадь разрыва. Участок пласта 212 между двумя электродами может подвергаться воздействию плазменного импульса, в результате чего происходит испарение определенных минеральных компонентов пласта.
-6
-4
После воздействия на пласт плазменного импульса в течение определенного периода времени может быть удалена часть, составляющая от 10 до 10, минеральной массы из пласта между электродами, как было указано выше. Источники питания могут быть передвинуты в другое место по стволу скважины, предпочтительно, рядом с другим комплектом расположенных рядом друг с другом разрывов, заполненных электропроводным проппантом, после чего процесс может быть повторен. После того как разрывы в скважине будут подвергнуты воздействию электрических импульсов, ствол скважины можно преобразовать в эксплуатационную скважину, из которой может производиться добыча углеводородов.
В отличие от варианта осуществления изобретения, представленного на фиг. 2, разрывы могут быть выполнены не только в горизонтальной, но и в вертикальной скважине.
Теперь обратимся к фиг. 3, на которой показаны три горизонтальные скважины 301, 302 и 303 в разрезе; плоскость вертикального разреза перпендикулярна направлению прохождения стволов данных скважин. Стволы вышеупомянутых горизонтальных скважин проходят ниже пласта 304, из которого производится добыча углеводородов, в пласте 305, лежащем ниже пласта, из которого производится добыча углеводородов. Согласно настоящему изобретению, можно организовать электрические импульсы между стволами горизонтальных скважин, что приведет к удалению массы из пласта, проходящего под пластом, из которого ведется добыча углеводородов. Удаление массы из данного пласта приведет к уменьшению напряжения в пласте в вертикальном направлении. Данное уменьшение напряжения приведет к повышению проницаемости в результате открытия природных трещин благодаря снятию напряжений и разрушению при растяжении вследствие проседания. После воздействия электрических импульсов можно осуществлять добычу углеводородов из пласта 304.
На фиг. 4 показаны два ствола скважин 401 и 492, которые являются горизонтальными и расположены перпендикулярно плоскости разреза. Данные горизонтальные стволы проходят на разных глубинах и перпендикулярно направлению максимального напряжения в пласте, обозначенном позицией 403. После применения электрических импульсов согласно настоящему изобретению между стволами данных скважин возникнет область 404 уменьшенной массы. Вследствие напряжения пласта 403 массы грунта будут стремиться проскользнуть в направлении уменьшенной массы пласта, в направлениях 405 и 406.
На фиг. 5 представлен еще один возможный вариант осуществления изобретения, в котором электроразрывы согласно настоящему изобретению используются для удлинения гидравлических разрывов с целью увеличения общего размера разрывов и удаления масс из пласта. Разрывы 503 в стволах горизонтальных скважин 501 и 502 заполнены электропроводным проппантом 504. На чертеже показаны лишь две скважины, однако, обработке могут быть подвергнуты несколько практически параллельных скважин. Производятся электроразрывы 506, которые соединяют между собой концы гидравлических разрывов. Преимущество данного варианта осуществления изобретения заключается в том, что он обеспечивает механизм удлинения гидравлического разрыва при минимальном использовании воды. Кроме того, прохождение электроразрывов от электрически заряженных вершин гидравлических разрывов облегчено вследствие концентрации заряда и тока в этих местах.