СПОСОБ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЯНОЙ ПЛАСТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ELECTRIC HYDRAULIC IMPACT ON OIL FORMATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано при выполнении работ на глубинах, превышающих 2000 м.
Известно устройство для воздействия на нефтяной пласт, принцип работы которого базируется на «электрогидравлическом эффекте», позволяющем повысить продуктивность обрабатываемого пласта.
В этом устройстве, включающем оснащенный пультом управления наземный источник электропитания, скважинный аппарат выполнен в виде полого цилиндрообразного корпуса и содержит в себе зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов (трансформаторно-выпрямительный блок с импульсными высоковольтными конденсаторами, соединенными параллельно) и разрядный блок, оснащенный двумя электродами, управляемым разрядником и блоком поджига. Ввод электрической энергии в скважинный аппарат осуществляется посредством электропитающего кабеля через кабельный наконечник, который является промежуточным (поддерживающим) звеном при размещении скважинного аппарата в скважине [1].
Недостатки этого устройства заключаются в следующем.
В процессе его работы электроды разрядного блока находятся непосредственно в обрабатываемой среде, которой в скважине, в призабойной зоне и в нефтяном пласте могут быть техническая вода со степенью минерализации до 1,24, глинистые растворы и нефти с различной степенью загазованности, а также и их суспензии.
Такая обрабатываемая среда характеризуется или повышенной электрической проводимостью (снижающей пробивное напряжение разрядного промежутка), или, наоборот, усложненными условиями для создания пробоя за счет ее электроизолирующих свойств, а также и за счет повышенных окружающих давлений, достигающих величин десятков атмосфер («кривая Пашена»).
Вследствие вышеуказанного рабочего расположения электродов и свойств обрабатываемой среды возникают следующие эксплуатационные сложности.
При высокой проводимости среды в скважине (соляной раствор) устройство входит в режим короткого замыкания или «утечки» энергии разряда и соответственно становится неэффективным за счет снижения величины энергии, фактически расходуемой на создание импульса давления. При этом, если в номинальном режиме разряда накопленной энергии длительность переднего фронта импульса тока носит взрывной характер с длительностью 15-50 мкс, то в режиме «утечки» длительность переднего фронта тока возрастает до 500-1500 мкс и более. В этом случае создание взрывного импульсного режима выделения электрической энергии и импульса давления невозможно.
Предпробивные потери энергии в режиме «утечки» достигают 13%, а их компенсация приводит к росту массогабаритных показателей скважинного аппарата. Рост этих показателей происходит за счет увеличения габаритов и массы блока накопительных конденсаторов, являющегося следствием увеличения в нем количества накопительных конденсаторов, которое и позволяет снижать (устранять) предпробивные потери.
Так, например, при одной из практических реализаций электрогидравлического воздействия на нефтеносный пласт, скважинный аппарат имел диаметр 250 мм и длину 3500 мм, в то время как энергия разрядного импульса не превышала 18 Дж.
Эксплуатация скважинного аппарата с такой незначительной энергией разрядного импульса энергии, даже на глубинах до 1500 м, малоэффективна, а его габаритные размеры ограничивают обработку обсадной трубы с пониженными диаметрами, с переменной конфигурацией уклонов по сечению пласта и затрудняют его перемещение от скважины к скважине.
Кроме того, в связи с ростом пробивных напряжений при достижении глубин в скважине до 2000 м и более и за счет увеличения электропрочности нефтяной среды, в скважинном аппарате приходится уменьшать величину разрядного промежутка. Это должно обеспечивать гарантированный пробой, но фактически уменьшает выделяемую между электродами энергию, в результате чего с прямо пропорциональной зависимостью снижается эффективность обработки пласта.
Вместе с этим, взаимосвязь и взаимовлияние параметров скважинного аппарата и скважины, таких как давление, искровой зазор, проводимость среды, энергопотери, приводят к нестабильности энерговыделения в широком диапазоне запасенных энергий, к необходимости проведения предпускового анализа и подготовки аппарата к каждому использованию с учетом характеристик конкретной скважины. Это существенно усложняет эксплуатацию скважинного аппарата, затрудняет выбор оптимальных параметров обработки, а прогноз эффективности воздействия на пласт делает не всегда достоверным.
Таким образом, использование данного устройства для воздействия на нефтяной пласт на глубинах, например, в 2000 м представляется весьма проблематичным, в том числе и из-за возможности несрабатывания его разрядного блока.
Кроме того, известно устройство для электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт, в котором электроды разрядного блока во время работы скважинного аппарата должны быть изолированы от обрабатываемой среды. Это обеспечивается введением в конструкцию разрядного блока дополнительного корпуса, выполненного в виде полого цилиндра и имеющего достаточно маленький внутренний объем [2].
Однако данное устройство, а следовательно, и реализуемый на нем способ электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт, которые по своей технической сущности являются наиболее близкими к изобретению и приняты в качестве соответствующего прототипа, имеет ряд существенных недостатков.
Первый из них заключается в том, что использование дополнительного корпуса в виде полого цилиндра не обеспечивает устойчивой изоляции электродов от обрабатываемой среды. Разработчики данного устройства сами указывают на возможность «случайного попадания окружающей гидросреды под электроды и возникновения ее контакта с электродами». Следовательно, использование этого устройства на глубинах, близких к 2000 м, точно так же как и выше охарактеризованного устройства, представляется весьма проблематичным, поскольку сохраняется некоторая возможность несрабатывания его разрядного блока.
Второй и наиболее важный недостаток этого устройства, равно как и выше охарактеризованного, заключается в том, что оно, в силу конструктивных особенностей своего блока накопительных конденсаторов, предназначено в основном для обработки (очистки) призабойной зоны на глубинах не более 1500 м, поскольку развивает мощность разрядного импульса в пределах всего лишь 100-300 Дж.
Такая мощность разрядного импульса не позволяет осуществить площадное воздействие на пласт и не позволяет работать на глубинах более 1500-2000 м, в то время как подавляющее большинство скважин, например в западной Сибири Российской Федерации и в Канаде, имеют нефтеносные пласты на глубинах в 2500-2700 и более м.
Обычно для увеличения мощности разрядного импульса идут по пути увеличения емкости накопительного кондесатора, т.к. мощность его разрядного импульса равна половине произведения емкости конденсатора и квадратичного значения напряжения, на него подаваемого. Однако, это, как было указано выше, приводит к резкому увеличению габаритных размеров скважинного аппарата и затрудняет его эксплуатацию.
Негативные конструктивные особенности блока накопительных конденсаторов известных устройств заключаются в том, что его накопительные конденсаторы, как при их зарядке, так и при их разрядке, имеют параллельное соединение между собой, а это не позволяет обеспечить в разрядном блоке пробивное напряжение выше 20 кВт (работоспособность электропитающего кабеля, требования техники безопасности) и не позволяет получить мощность разрядного импульса более 1 кДж, необходимую («кривая Пашена» /представлена в протитипе/) для эффективной работы на больших глубинах.
Прямого указания на такое (параллельное) соединение накопительных конденсаторов в описании изобретения [2] нет, но информация имеется в книге Л.Я.Попилова «Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов» (Глава 13, «Электрогидравлическая обработка», стр.265-270, рис.1, 2 и 3), Москва, «Машиностроение», 1982 г.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка такого устройства и такого способа его использования, которые при минимально возможных габаритах скважинного аппарата позволят осуществлять добычу нефти на глубинах более 2000 м и эффективно выполнять площадное воздействие на обрабатываемый пласт.
Решение данной задачи в изобретении достигается техническими результатами, которые в процессе добычи нефти обеспечивают создание в разрядном блоке скважинного аппарата пробивного напряжения выше 20 кВт и получение мощности разрядного импульса в своем значении, превышающем 1 кДж.
Поставленная задача в способе электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт, включающем размещение в скважине в зоне воздействия на пласт скважинного аппарата, который соединен с наземным источником электропитания и содержит электрически взаимосвязанные между собой зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов и разрядный блок, оснащенный электродами, и последующие за этим подачу постоянного напряжения от наземного источника электропитания на зарядное устройство, зарядку блока накопительных конденсаторов при их параллельном соединении до необходимой величины напряжения и разрядку блока накопительных конденсаторов, обеспечивающую поступление его выходного напряжения на электроды разрядного блока, достигается за счет того, что накопительные конденсаторы, после окончания зарядки их блока, переключают в последовательное соединение, а затем производят разрядку блока накопительных конденсаторов, обеспечивая увеличение его выходного напряжения пропорционально-ступенчато количеству конденсаторов, при этом величину постоянного напряжения, подаваемого на зарядное устройство, устанавливают в пределах 300-150 В, максимальное значение необходимой величины напряжения для зарядки блока накопительных конденсаторов принимают равным 20-27 кВ, а зарядку блока накопительных конденсаторов до необходимой величины напряжения осуществляют, преимущественно, в течение 20 с.
Этому же способствует также и то, что:
- переключение накопительных конденсаторов с одного вида их соединения на другой производят в автоматическом режиме;
- величину напряжения, подаваемого на зарядное устройство, в процессе зарядки блока накопительных конденсаторов, устанавливают постоянной и/или изменяют ее значение;
- величину напряжения изменяют плавно и/или скачкообразно;
- величину напряжения изменяют, преимущественно, в сторону увеличения ее значения;
- величину напряжения изменяют, по меньшей мере, один раз.
Поставленная задача в устройстве для осуществления способа по п.1, включающем оснащенный пультом управления наземный источник электропитания и скважинный аппарат, который посредством электрического кабеля соединен с источником электропитания, выполнен в виде полого цилиндрообразного корпуса, перегородками разделенного на герметичные отсеки, и содержит в себе электрически взаимосвязанные между собой и последовательно расположенные зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов и разрядный блок, оснащенный электродами, достигается за счет того, что скважинный аппарат дополнительно снабжен установленным в его полости коммутирующим средством, которое соединено с пультом управления и взаимосвязано с источником электропитания, работает в автоматическом режиме и на соответствующих этапах работы скважинного аппарата обеспечивает в блоке накопительных конденсаторов переключение накопительных конденсаторов с их параллельного соединения на последовательное соединение и, наоборот, с последовательного соединения на параллельное, при этом коммутирующее средство выполнено, преимущественно, на базе газовых быстродействующих разрядников, установлено в одном отсеке с блоком накопительных конденсаторов, а отсек, в котором расположены блок накопительных конденсаторов и коммутирующее средство, заполнен электроизолирующей средой.
Этому же способствует также и то, что:
- отсек, в котором расположены блок накопительных конденсаторов и коммутирующее средство, заполнен, преимущественно, жидкой электроизолирующей средой;
- электроизолирующая среда выполнена на базе, преимущественно, термостойкой кремнийорганической жидкости;
- отсек электроизолирующей средой заполнен таким образом, что, при условии вертикального расположения скважинного аппарата, все комплектующие изделия, находящиеся в указанном отсеке, полностью погружены в электроизолирующую среду и при этом в нем имеется некоторая воздушная подушка;
объем воздушной подушки составляет не менее 15% от объема электроизолирующей среды.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых схематично представлены:
На фиг.1 - вертикальный разрез обрабатываемой скважины.
На фиг.2 - продольный разрез скважинного аппарата на стадии зарядки блока накопительных конденсаторов.
На фиг.3 - продольный разрез скважинного аппарата на стадии разрядки блока накопительных конденсаторов.
Устройство для электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт включает в себя (см. фиг.1-3) оснащенный пультом управления 1 наземный источник электропитания 2 и скважинный аппарат 3, который посредством электрического, например, каротажного кабеля 4 соединен с источником электропитания 2, выполнен в виде полого цилиндрообразного корпуса, электроизолирующей перегородкой 5 разделенного на герметичные отсеки 6, 7, и содержит в себе электрически взаимосвязанные между собой и последовательно расположенные зарядное устройство 8, блок 9 накопительных конденсаторов 10 и разрядный блок, оснащенный электродами 11, 12 и спусковым устройством 13, которое может быть выполнено в виде, например, газонаполненного разрядника. Скважинный аппарат 3 снабжен установленным в его полости коммутирующим средством 14, которое соединено с пультом управления 1 и взаимосвязано с источником электропитания 2, работает в автоматическом режиме и на соответствующих этапах работы скважинного аппарата 3 обеспечивает в блоке 9 накопительных конденсаторов 10 переключение накопительных конденсаторов 10 с их параллельного соединения (фиг.2) на последовательное соединение (фиг.3) и, наоборот, с последовательного соединения - на параллельное. Коммутирующее средство 14 выполнено, преимущественно, на базе газовых быстродействующих разрядников 15 и установлено в одном отсеке 6 с блоком 9 накопительных конденсаторов 10. Отсек 6, в котором расположены блок 9 накопительных конденсаторов 10 и коммутирующее средство 14, заполнен электроизолирующей средой (на чертежах не показана), которая представляет собой жидкую кремнийорганическую жидкость, например, жидкость «Пента - ТРМС - 110». Этот отсек электроизолирующей жидкостью заполнен таким образом, что, при условии вертикального расположения скважинного аппарата 3, все комплектующие изделия, находящиеся в данном отсеке, полностью погружены в электроизолирующую жидкость и при этом в отсеке имеется некоторая воздушная подушка, объем которой составляет не менее 15% от объема электроизолирующей жидкости. Такие электроизолирующая среда и вариант заполнения полости отсека обеспечивают наиболее благоприятные условия для работы вышеуказанных комплектующих изделий. Отсек 7, в котором расположены электроды 11 и 12, взаимосвязанные, соответственно, с выходом блока 9 накопительных конденсаторов 10 и с корпусом скважинного прибора 3, выполнен со сквозными окнами 16, обеспечивающими доступ в его полость обрабатываемой среды 19, которой заполнена скважина 17.
Ниже приводится пример конкретной реализации предлагаемого способа, не исключающий других вариантов его осуществления в объеме формулы изобретения.
Предварительно (см. фиг.1) скважинный снаряд 3 посредством электрического кабеля 4 опускают в скважину 17, заполненную, например, флюидом (при необходимости в скважину заливают рабочую жидкость) и располагают его в зоне предполагаемого воздействия на нефтенесущий пласт 18, требующий соответствующей обработки. Вследствие этого отсек 7 скважинного аппарата 3 через окна 16 заполняется флюидом и электроды 11 и 12 оказываются полностью в него погруженными. Затем наземный блок питания 2 соединяют с промышленной электрической сетью (напряжение 220 В, частота 50 Гц) и с помощью пульта управления 1 включают его. Блок питания 2 преобразует напряжение 220 В в постоянное регулируемое напряжение (диапазон 300-150 В) и по электрическому кабелю 4 передает его (например, 200 В и не изменяемое по величине) в зарядное устройство 3, обеспечивающее зарядку блока 9 накопительных конденсаторов 10 (три конденсатора, конденсаторы соединены параллельно, емкость каждого конденсатора 3 микрофарады /возможно 25 и более/) до величины в 20 кВ. Зарядку блока накопительных конденсаторов осуществляют в течение 20 с (время зарядки может быть значительно увеличено, а максимальное значение величины зарядки блока накопительных конденсаторов может составлять 25-27 и несколько более киловольт). После окончания зарядки блока 9 накопительных конденсаторов 10, накопительные конденсаторы с помощью коммутирующего устройства 14 по соответствующей команде с пульта управления 1 в автоматическом режиме из параллельного соединения (фиг.2) переключают на последовательное соединение (фиг.3). Затем с пульта управления 1 на спусковое устройство 13 выдают команду на электрическое соединение блока накопительных конденсаторов с разрядным блоком.
В результате этого соединения происходит разрядка блока накопительных конденсаторов, обеспечивающая поступление его выходного напряжения (пробивное напряжение) на электроды 11 и 12 разрядного блока. Величина этого пробивного напряжения пропорциональна количеству накопительных конденсаторов, представляет собой сумму напряжений, накопленных каждым из них, и при указанных выше параметрах составляет 40-42 кВ, что позволяет получить энергию разряда в пределах 1,6-1,8 кДж. При несколько иных параметрах пробивное напряжение может быть увеличено до 75-81 кВ, а энергия разрядного импульса может быть доведена до 3 кДж.
Особенностью предлагаемого технического решения является образование ударных давлений внутри объема любой жидкости, возникающих при протекании в ней электрического импульсного разряда. Действием возникающих разрядов внутри объема жидкости создаются значительные перемещения последней, приводящие к образованию кавитационной полости с последующим ее смыканием. Результатом единичного электрического разряда является гидравлический удар, представляющий совокупность двух гидравлических ударов: основного, возникающего, когда жидкость раздвигается, и кавитационного, возникающего при смыкании полости. Давления, возникающие при электрогидравлическом ударе, тем выше, чем более плотна используемая жидкость, чем мощнее импульс и чем круче его фронт.
Цикл, состоящий из этих двух ударов, может повторяться с необходимой частотой в соответствии с частотой следования разрядов. Частота следования разрядов в предлагаемом техническом решении составляет 0,2-0,01 Гц.
Целенаправленное использование гидравлических ударов, создаваемых предлагаемым устройством в зоне предполагаемого воздействия на нефтенесущий пласт, позволяет осуществлять пластовое воздействие с целью повышения дебита скважин нефтегазовых месторождений (радиус такого воздействия - 1500 м, глубина - любая, скважинный аппарат для такого воздействия имеет внешний диаметр 102 мм и длину 2,5 м). Для увеличения проницаемости прискважинной зоны пласта, для очистки перфорационных отверстий и пор коллекторов от механических примесей и других загрязнений, для развития систем трещин в пласте может быть использован другой скважинный аппарат: его внешний диаметр равен 102 мм, а длина не превышает 1,5 м. Причем достаточно маленькие габаритные размеры этих скважинных аппаратов позволяют эксплуатировать их в условиях скважин с любой конфигурацией уклонов по сечению пласта и с любыми оперативными перемещениями от скважины к скважине.
Однако, прежде чем подробно рассматривать достоинства предлагаемого устройства, необходимо завершить технологический цикл работы его скважинного аппарата, прерванный на этапе получения первого разряда.
После завершения разрядки блока 9 накопительных конденсаторов они с помощью коммутирующего устройства 14 в автоматическом режиме из последовательного соединения (фиг.3) переключаются на параллельное соединение (фиг.2). После этого первый технологический цикл работы скважинного аппарата 3 окончен и устройство вновь готово к продолжению работы, которая при соответствующих командах с пульта управления 1 может вестись уже с другими технологическими параметрами. Следует отметить, что наиболее эффективные работа предлагаемого устройства и реализация предлагаемого способа достигаются в том случае, когда из обрабатываемой зоны скважины откачивают скважинную жидкость.
Сопоставительный анализ известного и предлагаемого технических решений показывает значительные преимущества последнего из них. Во-первых, это обеспечение возможности пластового воздействия на нефтенесущий пласт. Во-вторых, это обеспечение возможности проведения работ на глубинах более 3000 м. В-третьих, это минимальные размеры (в сравнении с аналогом: диаметр - в 2,5 раза меньше, длина - в 1,04 или в 2,3 раза короче).
Источники информации
1. Л.Ф.Петряшин, Г.Н.Лысяной, В.В.Желтоухов. «Об исследованиях эффективности использования электроимпульсов для интенсификации добычи нефти», Труды института ИФИНГ, вып.13, 1976, с.92-93.
2. Патент РФ №2283951, «Электрогидравлическое импульсное устройство», 2006 г.