СПОСОБ ДЕПРЕССИВНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR DEPRESSIVE HYDRODYNAMIC ACTION ON FORMATION, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Суть изобретения.
Использование: для увеличения притоков нефтяных и газовых скважин и оценки результатов непосредственно при воздействии на вскрытые продуктивные нефтегазовые пласты.
Описание изобретения.
Изобретение относится к геофизическим методам исследования, в частности к модификации обращенного вертикального сейсмического профилирования (ВСП), использующей в качестве источника упругих колебаний имплозивный источник, который одновременно используется для гидродинамического депрессивного воздействия на пласт.
Способ заключается в воздействии на пласт при помощи резкого открытия окон в имплозивной камере. Продуктивные пласты при этом герметично отделяются от вышележащего скважинного пространства при помощи гидравлического пакера, спускаемого вместе с устройством в обсаженную скважину. Резкое открытие окон в камере с атмосферным давлением приводит к депрессивному воздействию на пласт и выносу из него в камеру пластовой жидкости вместе с загрязняющими фильтрат компонентами. В процессе воздействия на пласт производится запись изменения по времени давления скважинной жидкости и запись сейсмических сигналов приемниками станции прямых и отраженных волн от камеры и от границ пласта, до которых доходит гидравлическая ударная волна. По характеру изменения кривых давления скважинной жидкости оценивается изменение отдачи пласта, а по записям приемников станции на поверхности оцениваются границы гидравлического воздействия на пласт.
Устройство предназначено для совместного проведения обращенного ВСП или междускважинного просвечивания и гидродинамического воздействия на продуктивный пласт после его вскрытия и при ремонте в обсаженной скважине. Устройство записывает кривые изменения давления при срабатывании излучателя. По кривым давления, записанным после нескольких воздействий, можно оценивать изменения отдачи (приемистости) продуктивных пластов. По сейсмическому профилю, записанному станцией на поверхности, можно также оценить изменения отдачи и изменения границ гидравлического воздействия на пласт.
Спуск устройства проводится на колонне бурильных или насосных труб.
Устройство состоит из дроссельного и клапанного блока, пакера, рабочей камеры (излучателя), ресивера и отсека регистрации сигнала.
Пуск устройства производится от насосных агрегатов после срабатывания пакера. Приведение в исходное положение производится также от насосных агрегатов после отключения пакера.
В зависимости от состояния вскрытого пласта, от его характеристик отдачи, будут получаться различные типы кривых изменения по времени давления жидкости в скважине и соответственно акустические сигналы от прохождения гидравлической волны в продуктивном пласте при воздействии излучателя. По типу этих сигналов, полученных на приемниках станции на поверхности, можно определить, в каком состоянии находится продуктивный пласт, и в какую сторону изменяется отдача пласта после каждого воздействия излучателя. К примеру, если пласт совсем не отдает, или отдает очень мало (см. фиг.2), зона депрессивного давления на кривой давления очень растянута, то на поверхность придет только один очень слабый сигнал от падения давления под пакером. Излучатель не сможет работать, так как ему не будет обеспечена необходимая скорость жидкости, входящей в камеру. При хорошей же отдаче пласта скорость жидкости позволит работать излучателю в полную силу и тогда кривая давления примет вид, что показан на фиг.3, то есть на кривой будет небольшой участок (по времени 0,05…0,1 с) резкого падения давления почти до атмосферного и затем скачок давления (в скважине на глубине 3000 м - это скачок до 1000 атм) в момент полного заполнения камеры и далее участок гармонического затухания до сравнения давления со скважинным давлением. Эти сигналы по типу и мощности можно точно определить и оценить их изменения. В пластах, где отдача будет снижать скорость заполнения камеры, последний пик на диаграмме и соответственно сигнал, полученный на поверхности, будет иметь меньшую мощность. Проводя последовательно, что позволяет устройство (до 10 раз, что зависит только от высоты труб ресивера), несколько воздействий, по полученным сигналам можно видеть, как изменяется отдача пласта и граница гидравлического воздействия в пласте (с каких удаленных участков приходит сигнал).
Информацию, полученную после первого применения устройства, можно использовать для сравнения состояния пласта при последующих воздействиях на него при ремонте скважин.
Ближайшими техническими решениями к предлагаемому изобретению являются способы воздействия на продуктивный пласт, совмещенные с обращенным ВСП, в которых упругие колебания возбуждают электрогидравлические источники. Это следующие устройства:
устройства для возбуждения мощных сейсмоакустических импульсов (авт.св. № 1679441 А1, кл G01V 1/40, № 1421113, кл G01V 1/157, выпускаемые серийно установки "Искра 20/70", "Скат", "Аквамарин" и др.) предназначены для возбуждения сейсмоакустических импульсов у поверхности земли в водоемах, морях и озерах или неглубоких скважинах, заполненных водой;
устройство ЭГИС-2, выпускаемое АО НПО "Нефтегеофизприбор". Оно работает с каротажным подъемником, оборудованным трехжильным кабелем, имеющим блок питания переменного тока;
многофункциональная скважинная электрогидравлическая аппаратура «ЭРА» (г.Саров ЗАО «Объединение БИНАР»), выпускаемые серийно, с электродной системой скважинного электрогидравлического устройства (патент РФ №2317413 (2008.02.20).
Все эти устройства воздействуют на пласт ударными волнами давления жидкости, величина которого всегда превышает давление в скважине, что только производит встряску пласта, а вынос загрязнений проводит жидкость пласта, и все они не имеют регистрирующей аппаратуры для записи изменений давления в пласте и пакерного устройства.
Известен автономный регистратор давления АРД-100/100, разработанный в НПК «ВНИИЭФ Спецгеофизика», позволяющий записывать кривые давления и температуры, как в процессе спуска-подъема, так и при срабатывании импульсного аппарата и его «последствия». От манометров, предназначенных для снятия кривых восстановления давления, АРД отличается более высокими параметрами, временем регистрации и наличием противоударной защиты. АРД-100/100 применяется при импульсных технологиях интенсификации нефтепритоков, основанных на использовании твердотопливных генераторов давления.
Известна комплексная термобарохимическая технология обработки призабойной зоны скважин (ТБХО), разработанная НПФ «ИКЭС-нефть» (г.Уфа), выбранного за прототип. В технологиях ТБХО сведены в один комплекс три метода обработки скважин: метод термобарохимического воздействия (ТГХВ) с использованием пороховых зарядов, методы гидроимпульсного и депрессивного воздействия с использованием различных имплазивных устройств. Доставка на геофизическом кабеле на забой скважины компоновки из трех контейнеров, включающих аккумулятор давления АДС-5, химреагент и воздушную депрессивную камеру с клапанными узлами. При обеспечении проходимости в комплекс включается пакер ПВ-ЯГ-Н-122. При спуске компоновки на НКТ, трубы спускаются пустыми, и они используются, как депрессивная камера с клапанным устройством УК-41-112 (имеет электроконтактный блок) и устройством УОС-ШНГ. В данном устройстве открытие имплозивной камеры проводится только один раз за спуск устройства в скважину, и открытие окон камеры проходит с очень низкой скоростью.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение ударного воздействия без применения пороховых зарядов и депрессивного воздействие на пласт и создание потока жидкости из пласта в камеру с одновременной регистрацией как изменения давления скважинной жидкости в отсеке регистрации, так и сейсмического разреза в станции обращенного ВСП для проведения оценки его состояния.
Поставленная цель достигается тем, что устье скважины оснащается аппаратурой для обращенного ВСП и обвязывается трубопроводами для обеспечения прямой и обратной промывки от насосного агрегата с обеспечением сброса промывочной жидкости из напорной магистрали во всасывающую через запорный управляемый от станции клапан. Устройство с пакером опускается на насосных иди буровых трубах в район вскрытого пласта так, чтобы пакер находился выше перфорации вскрытия. Дроссельный блок устройства обеспечивает необходимый перепад давления промывочной жидкости для включения пакера и открытия окон излучателя при закрытом клапане сброса на устье и отключение пакера и закрытие окон излучателя под действием пружины при открытии клапана сброса на устье. Гидравлический удар при этом будет погашен пружиной приводного поршня, его перемещением и перемещением поршня пакера, и повышением расхода жидкости через гидромониторные насадки.
Положительный результат достигается тем, что в устройстве над пакером установлен дроссельный с гидромониторными насадками блок, который жестко крепится к пакеру и к колонне труб. Под пакером жестко к нему крепится клапанный блок с шаровым клапаном, обеспечивающим обратную промывку скважины, и с каналами, обеспечивающими подачу жидкости в полость привода поршня закрытия окон камеры. Под клапанным блоком жестко к нему крепится цилиндр, заполненный гидравлической жидкостью и закрытый сверху уплотненным в цилиндре разгрузочным поршнем, который имеет возможность возвратно-поступательного движения по оси цилиндра. В нижней крышке цилиндра выполнено осевое отверстие, в котором с уплотнениями свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлен верхний полый шток приводного поршня. В нижней крышке цилиндра выполнены каналы, связывающие полость под крышкой со скважинным пространством. К нижней крышке жестко крепится полый корпус, в отверстии которого с уплотнениями свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлен приводной поршень, полость, находящаяся под нижним торцом его, соединена каналами с внутренним отверстием в полом штоке. Приводной поршень выполнен цельно с двумя штоками: полым верхним и цельным нижним. Нижний шток уплотнен в отверстии нижнего дна корпуса и соединен тягой с хвостовиком ступенчатой шторки, которая с уплотнениями свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлена в гильзу камеры с окнами, которые в крайнем нижнем положении шторка перекрывает. Корпус приводного поршня жестко закреплен посредством муфты и трубы к гильзе камеры, и внутренняя полость, образованная при этом, заполнена гидравлической жидкостью. Хвостовик шторки с уплотнениями свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлен в осевое отверстие муфты. Тяга в нижней своей части имеет бурт, на который упирается ступица пружины, установленной под корпусом приводного поршня. Нижний шток приводного поршня и хвостовик шторки выполнены одного диаметра. Внутренняя полость камеры образована гильзой, трубой и муфтами, которые между собой герметично и жестко соединены. В перегородке нижней муфты камеры выполнены осевые отверстия, в центральное отверстие из которых свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлен подпружиненный затвор с возможностью перекрытия остальных отверстий в своем крайнем нижнем положении. Ресивер, состоящий из нескольких труб, соединенных между собой муфтами на конической резьбе, жестко крепится к нижней муфте камеры, а снизу закрыт дном, к которому жестко крепится отсек регистрации сигнала с датчиком давления, связанным каналом со скважинным пространством. В шторке выполнены осевые каналы, связывающие полость под ней с полостью над ней.
ударн.
Ступенчатое сечение уплотненных поверхностей шторки (диаметр верхней шейки больше диаметра нижней шейки) обеспечивает удержание шторки в нижнем положении. Дополнительно ее толкает вниз усилие пружины возврата. Для открытия окон необходимо резко поднять давление в колоне труб при помощи закрытия управляемого запорного клапана, соединяющего напорную магистраль насосного агрегата с всасывающей магистралью. При этом необходимый расход промывочной жидкости и соответственно перепад давления будут обеспечивать гидромониторные насадки дроссельного блока. При резком поднятии давления пакер герметично отделит нижнюю часть устройства от скважинного пространства, находящего выше пакера. Одновременно с этим, появившийся дополнительный перепад давления через разгрузочный поршень, гидравлическую жидкость по полому штоку приводного поршня и каналы в нем создаст усилие на приводном поршне, направленное вверх. Это усилие, преодолев усилие пружины и усилие от гидростатики на шторке, сдвинет шторку вверх и откроет окна. При открытии окон появится реактивная сила от потока скважинной жидкости, влетающей в камеру, которая также будет действовать вверх. Это усилие будет удерживать шторку в крайнем верхнем положении до момента, когда ударное давление столкнувшейся с затвором жидкости, прокатившись несколько раз от затвора до окон и обратно, полностью не исчезнет. Скорость ударной волны С, будет определяться упругостью трубы камеры и жидкости. Чем «жестче» труба и жидкость, тем скорость будет выше.
Н.Е.Жуковским была получена формула для расчета величины скорости распространения ударной волны в тупиковом трубопроводе.
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mi>ж</mi></msub></mrow><mi>ρ</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mi>ж</mi></msub></mrow><mi>E</mi></mfrac><mo>*</mo><mfrac><mi>d</mi><mi>t</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
ж
где: Е и Е - модули упругости жидкости и стенок трубы соответственно;
d - диаметр трубы;
t - толщина стенок трубы;
ρ - плотность жидкости.
ударн
ж
0,5
Скорость распространения ударной волны в реальной камере С=1/[ρ/E+ρd/(tE)]=1338,8 м/с,
ж
8
10
3
где Е=2,06*10Па, d=0,1397 м, t=0,0092 м, Е=2,1*10 Па, ρ=1000 кг/м.
скв
к
скв
0,5
6
0,5
v=φ[(Р-Р)]2/ρ]=0,8[(30-0,1)]*10*2*/1000]=147 м/с - скорость жидкости при заполнении камеры на глубине 3000 м (Р=30 МПа).
Величина ударного давления для данной глубины и этой конкретной камеры будет:
удapн.
удapн
P=0,5vρC=0,5*147*1000*1338,8=98400000Пa=98,4 МПа.
К примеру, время заполнения этой камеры объемом 20 л будет:
кам
t=V/(v·F)=0,02/(196*0,01155)=0,0088 с,
3
2
где V=0,02 м - объем рабочей камеры, F=0,01155 м - площадь впускных окон, равная площади внутреннего поперечного сечения камеры с внутренним диаметром 121 мм.
ок
ок
ок
0,5
2
Время открытия окон будет: t=(2H/w)0,5=(2*0,08*/500)=0,018 с, где Н=0,08 м - величина пробега поршня, w=N/m=6000/12=500 м/с - ускорение поршня при массе m=12 кг и усилии на нем N=6000H.
уд
ударн
Время выравнивания давления в камере со скважинным давлением проходит примерно за 4 хода ударной волны от затвора до окон и обратно, и тогда составит: t=8L/С=8*1,6/1338,8=0,001 с, где L=1,6 м - высота камеры объемом 20 л.
При получении опорного сигнала с приемника, установленного на устье скважины, станция дает команду на открытие управляемого запорного клапана, соединяющего напорную магистраль насосного агрегата с всасывающей магистралью. После открытия этого клапана давление в колонне снизится до начального и шторка под действием усилия пружины сдвинется вниз и перекроет окна. После закрытия окон давление в камере и ресивере выровняется через дренажное отверстие в соединительной муфте, пружина поднимет затвор и откроет основные отверстия в муфте, через которые жидкость из камеры перетечет в ресивер. Излучатель готов к следующему пуску. Для пуска излучателя требуется только дать команду на закрытие управляемого запорного клапана, соединяющего напорную магистраль насосного агрегата с всасывающей магистралью.
После нескольких пусков излучателя, просмотрев записи на станции, определяют характер изменений границ гидравлического воздействия на пласт и принимают решение о продолжении воздействий или подъеме устройства. После подъема устройства рассматривают записи с блока регистрации сигнала и определяют характер изменений кривых давления, сравнивают их с полученными ранее данными.
Данный способ воздействия на пласт и устройство для его реализации позволяет проводить интенсификацию вскрытого продуктивного пласта ударным давлением, имеющим депрессивную волну и создающим поток жидкости из пласта в камеру. Изменения, проходящие в пласте, фиксируются во время воздействия на него и позволяют сравнивать с ранее полученными характеристиками и характеристиками очередных воздействий.
На фиг.1 изображен разрез устройства в момент герметизации пакера; на фиг.2 изображен примерный график изменения давления при плохой отдаче пласта; на фиг.3 изображен примерный график изменения давления при хорошей отдаче пласта.
На фиг.1 изображен поперечный разрез устройства (излучателя). Излучатель содержит над пакером 1 дроссельный с гидромониторными насадками 2 блок 3, который жестко крепится к пакеру 1 и к колоне труб 4. Под пакером 1 жестко к нему крепится клапанный блок 5 с шаровым клапаном 6, обеспечивающим обратную промывку скважины, и с каналами 7, обеспечивающими подачу жидкости в полость привода поршня 8 закрытия окон 9 камеры 10. Под клапанным блоком 5 жестко к нему крепится цилиндр 11, заполненный гидравлической жидкостью 12 и закрытый сверху уплотненным в цилиндре 11 разгрузочным поршнем 13, который имеет возможность возвратно-поступательного движения по оси цилиндра 11. В нижней крышке 14 цилиндра 11 выполнено осевое отверстие 15, в котором с уплотнениями свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлен верхний полый шток 16 приводного поршня 8. В нижней крышке 14 цилиндра 11 выполнены каналы 17, связывающие полость 18 под крышкой 14 со скважинным пространством. К нижней крышке 14 жестко крепится полый корпус 19, в полости 18 которого с уплотнениями свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлен приводной поршень 8, полость 20, находящаяся под нижним торцом его, соединена каналами 21 с внутренним отверстием 22 в полом штоке 16. Приводной поршень 8 выполнен цельно с двумя штоками: полым верхним штоком 16 и цельным нижним штоком 23. Нижний шток 23 уплотнен в отверстии 24 нижнего дна 25 корпуса 19 и соединен тягой 26 с хвостовиком 27 ступенчатой шторки 28, которая с уплотнениями свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлена в гильзу 29 камеры 10 с окнами 9, которые в крайнем нижнем положении шторка 28 перекрывает. Корпус 19 приводного поршня 8 жестко закреплен посредством муфты 30 и трубы 31 к гильзе 29 камеры 10, и внутренняя полость 32, образованная при этом, заполнена гидравлической жидкостью. Хвостовик 27 шторки 28 с уплотнениями свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлен в осевое отверстие муфты 30. Тяга 26 в нижней своей части имеет бурт 33, на который упирается ступица 34 пружины 35, установленной под дном 25 корпуса 19. Нижний шток 23 приводного поршня 8 и хвостовик 27 шторки 28 выполнены одного диаметра. Внутренняя полость камеры 10, образованная гильзой 29, трубой 36 и муфтами 30 и 37, которые между собой герметично и жестко соединены. В перегородке 38 нижней муфты 37 камеры выполнены осевые отверстия 39, в центральное отверстие 40 из которых свободно с возможностью возвратно-поступательного движения установлен подпружиненный затвор 41 с возможностью перекрытия остальных отверстий 39 в своем крайнем нижнем положении. Ресивер 42, состоящий из нескольких труб 43, соединенных между собой муфтами 44 на конической резьбе, жестко крепится к нижней муфте 37 камеры 10, а снизу закрыт дном 45, к которому жестко крепится отсек 46 регистрации сигнала с датчиком давления 47, связанным каналами 48 49 со скважинным пространством. В шторке 28 выполнены осевые каналы 50, связывающие полость 51 под ней с полостью 52 над ней. Пакер 1 герметично отделяет в обсадной трубе 53 полость с перфорацией 54 от полости 55 над ним.
Устье скважины оснащается аппаратурой для обращенного ВСП и обвязывается трубопроводами для обеспечения прямой и обратной промывки от насосного агрегата с обеспечением сброса промывочной жидкости из напорной магистрали во всасывающую через запорный управляемый клапан. Устройство с пакером 1 опускается на насосных или буровых трубах 4 в район вскрытого пласта так, чтобы пакер 1 находился выше перфорации 54 вскрытия. Дроссельный блок 3 устройства обеспечивает необходимый перепад давления промывочной жидкости для включения пакера 1 и открытия окон 9 излучателя при закрытом управляемом клапане сброса на устье и отключение пакера 1 и закрытие окон 9 излучателя под действием пружины 35 при открытии клапана сброса на устье. Гидравлический удар при этом будет погашен пружиной 35 приводного поршня 8, его перемещением и перемещением поршня пакера 1 и повышением расхода жидкости через гидромониторные насадки 2. В исходном состоянии, как изображено на фиг.12, внутренние полости 51, 52 камеры 10 и ресивера 42 свободны от скважинной жидкости и находятся под атмосферным давлением, окна 9 герметично закрыты. Ступенчатое сечение уплотненных поверхностей шторки 28 (диаметр верхней шейки больше диаметра нижней шейки) обеспечивает удержание шторки 28 в нижнем положении. Дополнительно ее толкает вниз усилие пружины 35 возврата. Для открытия окон 9 необходимо резко поднять давление в колонне труб 4 при помощи закрытия управляемого запорного клапана, соединяющего напорную магистраль насосного агрегата с всасывающей магистралью. При этом необходимый расход промывочной жидкости и соответственно перепад давления будут обеспечивать гидромониторные насадки 2 дроссельного блока 3. При резком поднятии давления пакер 1 герметично отделит нижнюю часть устройства от скважинного пространства 55, находящего выше пакера 1. Одновременно с этим, появившийся дополнительный перепад давления через разгрузочный поршень 8, гидравлическую жидкость 12 по полому штоку 16 приводного поршня 8 и каналы 21 в нем создаст усилие на приводном поршне 8, направленное вверх. Это усилие, преодолев усилие пружины 35 и усилие от гидростатики на шторке 28, сдвинет шторку 28 вверх и откроет окна 9. При открытии окон 9 и при наличии хорошей отдачи пласта появится реактивная сила от потока скважинной жидкости, влетающей в камеру 10, которая также будет действовать вверх. Это усилие будет удерживать шторку 28 в крайнем верхнем положении до момента, когда ударное давление жидкости, столкнувшейся с затвором 41 и, прокатившись несколько раз от затвора 41 до окон 9 и обратно, полностью не исчезнет. При таком процессе заполнения камеры 10 датчик давления 47 запишет кривую, подобную той, что приведена на фиг.3. Приемники сейсмостанции получат стабильное изображение разреза и сигнал от проходящей по пласту ударной волны. При отсутствии хорошей отдачи пласта открытие окон 9 будет медленным, так как реактивная сила от потока скважинной жидкости, влетающей в камеру 10, будет очень небольшая, и окна 9 будут открываться только под действием усилия на поршне. Это усилие будет удерживать шторку 28 в крайнем верхнем положении до момента, когда давление в колонне труб не примет начальную величину при помощи открытия управляемого запорного клапана. При таком процессе заполнения камеры 10 датчик давления 47 запишет кривую, подобную той, что приведена на фиг.2. Приемники сейсмостанции не получат информации о разрезе и сигнала от слабой, проходящей по пласту ударной волны. При получении опорного сигнала с приемника, установленного на устье скважины, или при отсутствии такового в течение установленного времени, станция дает команду на открытие управляемого запорного клапана, соединяющего напорную магистраль насосного агрегата с всасывающей магистралью. После открытия этого клапана давление в колоне 4 снизится до начального и шторка 28 под действием усилия пружины 35, сдвинется вниз и перекроет окна 9. После закрытия окон 9 давление в камере 10 и ресивере 42 выровняется через дренажное отверстие 39 в соединительной муфте 38, подпружиненный затвор 41 поднимется и откроет основные отверстия в муфте 38, через которые жидкость из камеры 10 перетечет в ресивер 42. Излучатель готов к следующему пуску. Для пуска излучателя требуется только дать команду на закрытие управляемого запорного клапана, соединяющего напорную магистраль насосного агрегата с всасывающей магистралью.
После нескольких пусков излучателя, просмотрев записи на станции, определяют характер изменений амплитуды приходящих сигналов, границ гидравлического воздействия на пласт и принимают решение о продолжении воздействий или о подъеме устройства. После подъема устройства рассматривают записи с блока регистрации сигнала и определяют характер изменений кривых давления, сравнивают их с полученными ранее данными.