СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
TREATMENT METHOD OF BOTTOM-HOLE FORMATION ZONE, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтегазодобыче, а именно к термогазохимическому способу обработки призабойной зоны пласта (ПЗП) и устройству, с помощью которого оно осуществляется.
Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано для увеличения производительности загрязненных в процессе эксплуатации добывающих и нагнетательных нефтегазовых скважин, а также низкодебитных и осложненных скважин, в том числе на месторождениях с высоковязкими фракциями нефти. Оно подходит для реанимации старых скважин.
Кроме того, изобретение может быть успешно использовано для дегазации угольных пластов, в том числе для промышленной добычи метана, для добычи твердых полезных ископаемых методом выщелачивания, а также для увеличения производительности водонапорных скважин.
Способ и устройство реализуют при помощи твердотопливных зарядов, изготовленных из энергетических конденсированных систем - баллиститных ракетных и артиллерийских порохов или из смесевых твердых топлив. Устройство собирают с помощью специальной оснастки.
Заряды подсоединяют к геофизическому кабелю, опускают в скважину в интервал обработки продуктивного пласта или вблизи его. После воспламенения зарядов током по кабелю и последующего их горения происходят термогазохимическое, в том числе и барическое воздействие.
Термогазохимическое воздействие на ПЗП приводит к появлению продольных и поперечных трещин, расширению существующих каналов и другим изменениям пород, а также к благоприятным с точки зрения увеличения добычи углеводородов изменениям свойств ингредиентов.
При значительном барическом воздействии эти процессы усиливаются. В предельных случаях (при превышении давления от горения зарядов в 1,5…3 раза по отношению к горному давлению) возникает «горячий» гидроразрыв ПЗП и дополнительно появляются протяженные магистральные каналы.
Для расширения и углубления трещин и каналов, уменьшения вязкости флюидов и интенсификации других необходимых для повышения притоков процессов надо увеличивать давление в скважине и его продолжительность за счет горения зарядов, а также создавать импульсы давления. Однако чрезмерно высокое избыточное давление может нарушить обсадную колонну и сцепление цементного камня с ней. Поэтому при достаточно высоком давлении, безопасном для скважины, заряды должны быть надежными и не разрушаться в процессе горения с появлением аномально высоких взмывов давления.
Известны способы обработки ПЗП и конструкции канальных твердотопливных зарядов для их осуществления, например [1, 2]. Они имеют недостатки, затрудняющие их использование из-за громоздкой оснастки в канале шашек. Металлические части оснастки могут оставаться в скважине после их обработок. Кроме того, такая оснастка препятствует выходу продуктов сгорания из канала. Из-за этого, а также из-за снижения прочностной работоспособности зарядов при повышенных температурах и давлениях увеличивается вероятность их разрывов с каналов, т.к. газы условиях не успевают покинуть канал и распирают заряд изнутри.
Известен способ термогазохимического воздействия на пласт, а также твердотопливный заряд для его осуществления, имеющий разновидности [3]. В нем имеется чередование канальных и бесканальных твердотопливных элементов. Способ осуществляют устройством с зарядами, находящимися в полом корпусе с воспламенителем. Нижний конец корпуса заглушен, а на верхнем конце есть регулятор расхода газов. Устройство напоминает ракетный двигатель с пульсирующим истечением продуктов сгорания через сопло.
Устройство сложное и громоздкое и не будет эффективно работать при определенных условиях в скважине. Оно неспособно создавать высокие давления внутри устройства из-за возможностей его разрыва.
Заряды устройства [3], горящие только с торца, при низких давлениях будут самопроизвольно затухать при пульсациях, как это имеет место в ракетных двигателях на твердом топливе.
Важным обстоятельством для улучшения воспламенения торцевых зарядов в скважине и предотвращения последующего их затухания является возможность инициирования таких зарядов снизу от канальных зарядов, которые воспламеняются быстрее. Тогда продукты горения будут интенсивнее подходить и контактировать с торцевой поверхностью бесканальных зарядов и больше передавать им тепла для воспламенения и поддержания горения.
Устройство по изобретению [3] не позволяет проводить качественное воспламенение торцевого заряда, так как воспламенитель расположен над ним перед соплом. Продукты горения идут от торцевой поверхности, а не подпитывают ее.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа для заявляемого способа, является комплексный способ стимуляции скважин [4]. По этому способу твердотопливный заряд не имеет никаких элементов оснастки в канале и не находится в полом корпусе с воспламенителем, как в изобретении [3].
Способ позволяет создать осуществлять термогазохимическое, а также барическое и виброволновое воздействие на ПЗП газообразными продуктами горения бескорпусного цилиндрического твердотопливного заряда с центральным круглым каналом и выступающими на противоположных цилиндрических поверхностях твердотопливными сегментами параллельно оси центрального канала и отношением длины канала к его диаметру, равным (40-120):1. Отношение окружности заряда к основанию каждого из сегментов составляет (6-9):1. В сегментах имеются продольные пазы для каната, соединенного с геофизическим кабелем. Расстояние между пазами равно наружному диаметру цилиндрической части заряда.
Использование способа для большого количества скважин показало его высокую эффективность. Но при температурах пластов +60-90°C и глубинах 2,5-3,5 км (повышенных давлениях) применение такого длинного заряда затруднено. При нахождении заряда в скважине более 1,5 часа он становится мягким и искривляется. Линия воспламенения может нарушиться.
Такое поведение горящего заряда, связанное с повышением температуры и давления в скважине, имеет место с увеличением соотношения длины канала к его диаметру. Продукты горения не успевают выходить из полости канала заряда. Возникает определенный перепад давлений между полостью канала и окружающей заряд среды, который может составить десятки атмосфер. В то же время окружные деформации, имеющие место на канале заряда, возрастают в несколько раз. При достижении критического перепада давления появляется опасность разрыва заряда изнутри.
С другой стороны, возможности способа могут быть расширены при укорочении заряда, а также за счет регулирования амплитуды и длительности избыточного давления в скважине, создаваемого за счет увеличения горящего свода топлива.
Регулирование давления возможно и при дополнительном использовании заряда, не имеющего канала. Он должен надежно функционировать при экстремальных условиях в скважине (повышенных температурах и давлениях), когда ухудшаются прочностные характеристики заряда.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа для заявляемого устройства, с помощью которого осуществляется заявляемый способ, является устройство для обработки продуктивного пласта [5]. Оно содержит твердотопливный заряд, не имеющий корпуса, соединенный с кабелем тросом. Заряд имеет центральный круглый сквозной канал с отношением длины канала к диаметру, равным (22-38):1. На противоположных цилиндрических поверхностях заряда имеются продольные пазы для каната устройства сборки. Такой заряд будет надежно работать при экстремальных условиях. Но его функциональные возможности могут быть расширены установкой дополнительного заряда без такого канала.
Целью настоящего изобретения является увеличение эффективности обработки скважины путем комбинации канальных и бесканальных зарядов, повышения безопасности их использования и расширение эксплуатационных возможностей способа стимуляции скважин [4] и устройства [5].
Указанная цель по способу достигается следующим образом. В известном способе, включающем создание избыточного давления в скважине путем воздействия на пласт газообразными продуктами горения бескорпусного цилиндрического твердотопливного заряда, имеющего воспламенитель, центральный круглый канал и выступающие на противоположных цилиндрических поверхностях твердотопливные сегменты параллельно оси центрального канала с выполненными в них для каната устройства сборки продольными пазами и расстоянием между пазами, равным наружному диаметру цилиндрической части заряда, новым является то, что создание регулируемого по амплитуде и длительности избыточного давления в скважине без деформации и разрыва заряда, вызванного критическим превышением давления продуктов горения в полости его канала относительно окружающей заряд среды, достигают установкой напротив пласта или вблизи пласта заряда со сквозным центральным круглым каналом, имеющим отношение длины канала к его диаметру равным (22-38):1, в том числе увеличение длительности воздействия на пласт при пониженном давлении, достигают присоединением к данному заряду дополнительного цилиндрического твердотопливного заряда с аналогичными выступающими сегментами с пазами и отношением его длины к диаметру, равным (5-15):1, с ровными торцами или с выемкой на торце, при этом воспламенение дополнительного заряда в скважине проводят от воспламенителя нижнего заряда со сквозным каналом или с воспламенителей зарядов со сквозными каналами, расположенных сверху и снизу дополнительного заряда, причем провода для подачи тока от геофизического кабеля к воспламенителю пропускают по каналу или продольным пазам сегментов заряда, имеющего сквозной канал, и продольным пазам сегментов дополнительного заряда. Указанная цель по устройству, реализующему заявляемый способ, достигается следующим образом. В известном устройстве для создания избыточного давления в скважине путем воздействия на пласт газообразными продуктами горения, содержащем соединенный с геофизическим кабелем бескорпусной цилиндрический твердотопливный заряд с воспламенителем, имеющий сквозной центральный круглый канал, с отношением длины канала к диаметру, равным (22-38):1, и выступающие из заряда твердотопливные сегменты, расположенные на его противоположных цилиндрических поверхностях параллельно оси центрального канала, с выполненными в них для каната устройства сборки продольными пазами и расстоянием между пазами, равным наружному диаметру цилиндрической части заряда, новым является то, что устройство имеет дополнительный цилиндрический твердотопливный заряд с аналогичными выступающими сегментами с пазами и отношением его длины к диаметру, равным (5-15):1, с ровными торцами или с выемкой на торце, при этом дополнительный заряд в устройстве находится над зарядом с воспламенителем и сквозным каналом или между зарядами с воспламенителями и сквозными каналами, причем провода для подачи тока от геофизического кабеля к воспламенителю проходят по каналу или продольным пазам сегментов заряда, имеющего сквозной канал, и продольным пазам сегментов дополнительного заряда.
Поскольку способ обработки ПЗП реализуется при работе заявляемого устройства с комбинацией заряда со сквозным центральным каналом и заряда без канала, то описание способа приведено при изложении раздела использования устройства.
Заряд со сквозным центральным круглым каналом имеет отношение длины канала к его диаметру (22-38):1.
Минимальное отношение связано с тем, что короткие заряды (менее 22:1) использовать нерационально. Понадобится нежелательное увеличение их количества, усложняющее устройство, а также чтобы создать необходимое для обработки давление в скважине в процессе горения зарядов. Нужны дополнительные элементы оснастки для сборки и фиксирования зарядов относительно продольной оси при сборке. В коротких зарядах не могут возникать волны давления из-за вибрационного горения зарядов. Эти волны генерируются с полости канала заряда и создают виброволновое воздействие на пласты, усиливающее их обработку.
Максимальное отношение обусловлено следующим. При отношениях более 38:1 в глубоких скважинах и высоких температурах заряды могут разрываться из-за значительного превышения давления в каналах над наружным давлением.
Заряд без канала имеет отношение длины к диаметру (5-15):1. Минимальное отношение этих размеров обусловлено тем, что при дальнейшем уменьшении длины канала (соответственно длины заряда) требуется дополнительная оснастка, соединяющая и центрирующая заряды. Устройство, как и в случае с коротким канальным зарядом, будет громоздким.
Максимальное отношение длины бесканального заряда к его диаметру, равное 15:1, объясняется технологией изготовления заряда и особенностями его сборки. Технологически такой удлиненный заряд трудно изготавливать. Он гнется. Чем температура выше, тем изгибается сильнее. Собирать его сложно.
Отношение длины бесканального заряда к его диаметру в пределах (5-15):1 является оптимальным независимо от его диаметра. Однако желательно иметь максимально возможный диаметр. Это усиливает эффект от обработки.
На фиг.1 показана принципиальная схема устройства согласно изобретению (продольный разрез). Фиг.2 иллюстрирует выполнение способа в виде изменения давления во времени в скважине при горении зарядов.
Устройство на фиг.1 с канатом 1 и воспламенителем 2 (сверху и снизу) имеет бескорпусной цилиндрический твердотопливный заряд 3 со сквозным центральным круглым каналом диаметром 20 мм и заряд без канала 4. Заряды имеют длину 600 мм и диаметр цилиндрической части 94 мм. На их противоположных поверхностях имеются выступающие твердотопливные сегменты с пазами. Длина заряда 3 соответствует длине его канала.
Отношение длины канала заряда 3 к диаметру его канала составляет 30:1, т.е. находится внутри заявленного отношения этих размеров (22-38). Отношение длины заряда 4 к его диаметру равно 6,38:1, что также находится внутри заявленного отношения (5-15): 1.
Дополнительные элементы устройства, используемые при его монтаже, на фиг.1 не показаны. Канат 1 устройства сборки проходит по пазам зарядов 2 и 3 и соединяется с геофизическим кабелем.
Воспламенитель 2 представляет собой проволочки накаливания, вмонтированные в топливо. Воспламенителем может быть также взрывной патрон. Воспламенитель располагается снизу заряда без сквозного канала либо с двух его сторон. Провода от кабеля 1 к воспламенителю 2 проходят по каналу заряда 3 и пазам заряда 4 совместно с канатом. При большом количестве чередуемых зарядов 3 и 4 допускается прохождение проводов и по их пазам. Заряд 4 используют с ровными торцами или с неглубокими выемками, имеющими размерность по длине не более диаметра заряда.
Монтаж устройства (фиг.1) осуществляют прямо над устьем скважины. Количество чередуемых зарядов 3 и 4 выбирают исходя из геолого-технических условий скважины, предназначенной под обработку ПЗП.
Устройство работает следующим образом. После его спуска на необходимую глубину подают ток по кабелю. От воспламенителей 2 сначала загораются верхний и нижний заряды 3, а от них остальные. Продукты сгорания увеличивают давление в скважине и начинают по перфорационным отверстиям проникать в ПЗП, осуществляя термогазохимическое воздействие. Проницаемость пласта и соответственно притоки к скважине возрастают.
Горение канальных и бесканальных зарядов после их воспламенения происходит по всем поверхностям.
При горении только сквозного заряда 3 (фиг.1) записывают кривую давление - время в скважине, изображенную на фиг.2 (кривая 1). Максимум кривой соответствует концу горения заряда. Затем идет падение давления и затухающие низкочастотные продольные волны по стволу скважины.
При совместном использовании зарядов со сквозным каналом 3 и заряда без него 4 (фиг.1) регистрируют кривую 2 давление - время, показанную на фиг.2. Четко видно два явно выраженных этапа. Первый этап - при совместном горении зарядов, второй - только при горении заряда без сквозного канала. Второй этап характеризуется пониженным давлением, существующим при более длительном, по отношению первому этапу, времени горения (не менее 4-10 раз).
Прекращение горения заряда 3 при продолжении горении заряда 4 приводим к падению давления до нескольких раз. При более низком давлении соответственно уменьшается и скорость горения топлива. Это еще больше увеличивает продолжительность второго этапа. В результате достигается более эффективный прогрев ПЗП и, соответственно, притоки флюидов к скважине.
Увеличение количества бесканальных зарядов относительно зарядов со сквозным каналом приводит не только к повышению максимального давления, но также и к повышению давления второго этапа с уменьшением времени его существования. Уменьшение этого количества зарядов, напротив, приводит к обратной картине. Таким образом, регулируют величину и продолжительность давления при разных этапах.
При этом из-за улучшения условий воспламенения заряда 4 от заряда 3 (канальные всегда воспламеняются быстрее бесканальных) и предварительного прогрева заряда 4 он более надежно и эффективно горит и не затухает.
Пример выполнения способа по устройству, показанному на фиг.1.
В скважине с внутренним диаметром скважины 127 мм нефтяной пласт находится на глубине 2,8 км. Длина интервала перфорации 3 метра. Температура в скважине +70°C. Продуктивный пласт имеет высоковязкую нефть, для воздействия на которую требуется увеличить время воздействия продуктов горения зарядов. Для наибольшего увеличения добычи нефти по данному способу совмещают разрыв пласта канальным зарядом (добиваются максимального давления в скважине) и затем растягивают продолжительность воздействия на пласт бесканальным зарядом, сгорающим после канального при меньших давлениях.
При реализации способа устройство, показанное на фиг.1, используют чередованием четырех зарядов 3 длиной 600 мм со сквозными каналами и трех бесканальных зарядов 4 с такой же длиной. Заряды 3 с воспламенителем располагают сверху и снизу собранной гирлянды.
Заряды устройства располагают напротив перфорационных отверстий. При выбранных экстремальных условиях и совместном горении зарядов давление в скважине возрастает до 74 МПа при времени 0,6 сек после их воспламенения. Затем по окончании горения зарядов со сквозным каналом 3 давление падает в 3-3,5 раза и при горении только бесканальных зарядов 4 продолжается еще в течение 5,7 сек. Результатом обработки скважины является значительное увеличения дебита нефти и производительности скважины.
Предлагаемый способ с соответствующим устройством можно успешно использовать во многих нефтегазодобывающих регионах при разнообразных геолого-технических условиях скважины с повышением ее производительности. При экстремальных условиях они будут более безопасными.
Источники информации
1. Патент РФ №2175059 C2, МПК E21B 43/263. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом для стимуляции скважин. Крощенко В.Д., Грибанов Н.И., Гайворонский И.Н. и др. Заявл. 06.10.1999. Опубл. 20.10.2001.
2. Патент РФ №2183740 C1, МПК 6 E21B 43/263. Заряд бескорпусной секционный для газодинамического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Газизов Ф.М. и др. Заявл. 22.08.2001. Опубл. 20.06.2002.
3. Патент РФ №2261990 C2, МПК E21B 43/263. Способ термогазохимического воздействия на пласт и твердотопливный заряд для его осуществления. Дыбленко В.П., Шарифуллин Р.Я., Лысенков А.П. и др. Заявл. 14.08.2003. Опубл. 10.10.2005.
4. Патент РФ №2282027 C1, МПК E21B 43/263. Комплексный способ стимуляции скважин. Пелых Н.М., Манырин В.Н., Гайсин Р.Ф. и др. Заявл. 16.12.2004. Опубл. 20.08.2006. Бюл. №23 - прототип по способу.
5. Патент РФ №100554 на полезную модель. МПК 7 E21B 43/45. Устройство для обработки продуктивного пласта. Пелых Н.М., Богданов С.Ю. Заявл. 16.07.2009. Опубл. 20.12.2010. Бюл. №35 - прототип по устройству.