СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ГАЗОГИДРАТНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОКУСИРОВАННОГО АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ
METHOD TO DEVELOP GAS HYDRATE DEPOSITS USING FOCUSED ACOUSTIC IMPACT ON THE LAYER

Изобретение относится к газовой сфере и служит для добычи природного газа из газогидратных месторождений и газовых месторождений, характеризующихся выпадением гидратов в призабойной зоне пласта. Предлагается новый способ, основанный на применении фокусирующего ультразвукового устройства для прогрева продуктивного пласта, с целью добычи природного газа из газовых гидратов.
Уровень техники.
Известен способ акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, который  относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использован для повышения продуктивности скважины и пласта пород-коллекторов в целом. Способ включает диагностику призабойной зоны, облучение акустическим полем и корректировку параметров режимов облучения по результатам обратной связи. Акустическое воздействие осуществляют поэтапно вертикально направленным и круговым горизонтально направленным акустическими полями одновременно (RU 2140534 С1, 11.03.1998).
Данный способ отличается тем, что в конструкции ультразвукового излучателя не используется принцип акустической фокусировки, что ведет к сильному рассеянию энергии в пласте. Выбранная мощность и частоты в данном способе не обеспечивают изменения фазового состояния флюидов, а лишь служат для интенсификации процессов.
Известен способ повышения нефтеотдачи пласта с применением акустического воздействия. Данный способ относится к нефтяной промышленности и может быть использован для повышения дебита скважин и интенсификации добычи нефти. Обеспечивается повышение эффективности за счет воздействия на жидкость в поровом пространстве скважины многочастотным воздействием. Способ предусматривает погружение виброакустического скважинного излучателя в скважину до уровня продуктивного пласта и осуществление акустического воздействия на пласт (RU 2355878 С2, 28.12.2006).
Данный способ отличается тем, что он пригоден только для нефтяных месторождений, воздействие осуществляется многочастотное и в конструкции ультразвукового излучателя не применяется акустическая фокусировка.
Известны способы добычи природного газа из газогидратных месторождений, такие как понижение давления, разогрев продуктивного пласта с помощью закачки теплой воды, применение ингибиторов, комбинированные методы и т.д. (Перспективы разработки технологии промышленной добычи газовых гидратов // Е.В. Крейнин // Газовая промышленность. - 2007. - № 1. - С. 43-46; Способы добычи газа из газогидратных месторождений // К.С. Басниев [и др.] // Газовая промышленность. - 2007. - № 11. - С. 84-86 - Библиогр.).
Известны способы добычи газовых гидратов методом снижения давления как за счет естественного перепада давления при разбуривании залежи, так и с использованием дополнительных компрессорных установок (примеры RU 2438009 С1, 04.05.2010; RU 2386015 С1, 15.12.2008). Недостаток метода снижения давления связан с техногенным образованием гидратов в призабойной зоне вследствие эффекта Джоуля-Томсона. Также температура породы и вмещающих флюидов будет снижаться вследствие высокой отрицательной энтальпии разложения газовых гидратов, равной 0.5 МДж/кг. Все это приведет к дополнительному эффекту самоконсервации гидратов, что остановит выделение природного газа. Таким образом, разработка гидратных залежей за счет понижения давления возможна только при закачке ингибиторов в призабойную зону, что значительно увеличит себестоимость добываемого газа и приведет к дополнительным экологическим рискам.
Известны способы добычи газовых гидратов методом увеличения температуры пласта и вмещающих флюидов с помощью закачки разогретого источника (пример - вода), помещение «точечного» источника тепла на забое, проведение химических реакций с выделением тепла в пласте (примеры RU 2491420 С2, 30.11.2011; RU 2451171 С2, 30.07.2008; RU 2424427 С1, 13.04.2010; RU 2306410 С1, 22.12.2005).
Тепловой метод разработки газогидратных месторождений, с применением «точечного» источника тепла на забое скважины, пригоден для пластов, имеющих высокое содержание гидратов в порах. Однако, как показывают результаты расчетов, тепловое воздействие через забой скважины малоэффективно. Это связано с тем, что процесс разложения гидратов сопровождается поглощением тепла с высокой удельной энтальпией 0,5 МДж/кг. По мере удаления фронта разложения от забоя скважины все больше энергии тратится на прогрев вмещающих пород и кровли пласта. Поэтому зона теплового воздействия на гидраты через забой скважины имеет размер порядка всего 2-3 метров от оси скважины и прогрев сильно снижается после этого расстояния. Также наблюдается существенное рассеяние энергии в области пласта,  не содержащее газовые гидраты.
В случае использования в качестве источника тепла закачиваемую в пласт разогретую воду, приходится сталкиваться с трудностями в поддержании ее температуры во время транспортировки до пласта и большими затратами энергии на начальный нагрев.
Известный метод разложения гидратов с применением ингибиторов (пример RU 2433255 С1, 03.03.2010) вряд ли окажется приемлемым вследствие высокой стоимости ингибиторов и их опасности для экологии.
Раскрытие способа.
Сущность способа разработки газогидртаных залежей с использованием фокусированного акустического воздействия на пласт заключается в использовании для прогрева продуктивного пласта фокусирующего ультразвукового излучателя. Данный способ может применяться совместно с методом закачки в пласт воды. Нагрев воды осуществляется непосредственно на забое, за счет акустического воздействия.
Используется диапазон частот от 20 до 30 кГц. Мощность поверхностного генератора ультразвуковой установки от 15 до 20 кВт. В данных расчетах используется 16 кВт генератор.
Отдельно в зависимости от параметров коллектора и вмещающих флюидов выбирается фокусное расстояние от оси скважины для акустической линзы излучателя, составляющее от 5 до 15 метров.
Наибольшие перспективы имеет комбинированный метод, состоящий в одновременном снижении давления и подводе тепла к скважине. Причем подвод тепла предлагается осуществлять с помощью воздействия на пласт фокусированным акустическим полем. За счет фокусировки ультразвуковых волн удастся добиться большей глубины проникновения, меньшего рассеяния в не содержащие газовые гидраты участки пласта и возникновения дополнительной энергии в зоне фокуса излучения. Данный метод воздействия поможет достичь следующих преимуществ: воздействие будет осуществляться не «точечно» на забое, а на определенном расстоянии вокруг скважины; можно достичь более высоких температур без ущерба для скважины за счет охлаждения водой; параллельно будет осуществляться нагрев закачиваемой в пласт воды; за счет небольших глубин залегания газовых гидратов потери при передаче энергии на излучатель не столь велики и КПД установки остается на высоком уровне.
Воздействие ультразвуковым полем с помощью забойного излучателя осуществляется с большим проникновением в пласт относительно забойного нагревателя за счет использования принципа ультразвуковой (УЗ) фокусировки.
Для теплового воздействия на пласт с помощью ультразвука, на УЗ излучатель можно подавать мощность, значительно большую, чем на обычный тепловой источник, и при этом не подвергать риску разрушения конструкцию скважины на забое. Это осуществимо за счет охлаждения устройства и колонны закачиваемой водой. Кроме того, снимая избыточную температуру на забое, можно нагревать воду и за счет этого дополнительно подогревать пласт. В случае обычного теплового источника вода отнимает большую часть энергии на свой прогрев, что уменьшает эффективность прогрева пласта. Ультразвуковое излучение, напротив, хорошо проводится водой, причем форма и дальность распространения волн не изменится.
Описание чертежей
На рисунке 1 показан разрез по диаметру УЗ излучателя, поверхность которого имеет форму вогнутой линзы, и форма излучения от фокусирующей поверхности.
На рисунке 2 показан внешний план фокусирующей части излучателя с сектором излучения.
Осуществление способа
Воздействие ультразвуковым полем с помощью забойного излучателя осуществляется с большим проникновением в пласт относительно забойного нагревателя за счет использования принципа ультразвуковой (УЗ) фокусировки. Для этого предлагается использовать метод цилиндрической фокусировки. На рисунке 1 показан разрез по диаметру участка УЗ излучателя с 2 акустическими развязками (1, 2), соединенными между собой (3), поверхность которого имеет форму вогнутой линзы (4). Излучение от такой поверхности будет иметь форму диска (5), что позволит добиться усиления интенсивности в точке фокусировки (6) и избежать рассеяния в область пласта, не содержащую газовые гидраты. В конструкции применена ультразвуковая развязка (1, 2), которая служит для усиления излучения и разворота продольных колебаний в поперечные с помощью вакуумной полости в форме призмы (7).
В зависимости от свойств коллектора и содержащихся в нем флюидов, форма фокусирующей линзы выбирается так, чтобы подобрать оптимальное фокусное расстояние (8), определяемое углом фокусировки (9). В зависимости от необходимого фокусного расстояния, мощности и частоты ультразвукового излучателя, из геометрических соображений выбирается расстояние между акустическими развязками (10).
Далее приведены результаты расчета теплового воздействия предлагаемого метода с помощью математической модели, что показывает его эффективность.
В качестве примера взят поверхностный генератор мощностью 16 кВт. С учетом акустического КПД излучателя, потерь на скважинном кабеле для глубины залегания до 1000 м и конструкции излучателя, имеющего 2 акустические развязки, что соответствует мощности выделяемой на одну линзу (один излучающий «диск») порядка 5.5 кВт.
6
3
Для оценки затрат энергии на работу генератора в сравнении с энергией добытого газа использовалась теплота сгорания метана, равная 33.28·10 Дж/м.
6
3
·
0
0
В качестве параметров породы и вмещающих флюидов берутся следующие значения: теплоемкость породы и вмещающих флюидов равна 1.48·10Дж/(мK); пористость 0.35; гидратонасыщенность 75%; водонасыщенность 0.25; начальное давление в пласте Р равно 5.74 МПа; начальная температура Т равна 283 K; коэффициент теплопроводности породы и вмещающих флюидов равен 1.71 Вт/(мK); коэффициент поглощения звука породой и вмещающими флюидами равен 4.5 Дб/м.
Поле увеличения температуры рассчитано для области между двумя акустическими развязками. По высоте ствола скважины, в которой располагается излучатель, расстояние составляет 2.8 метра. Температура, после 70 суток воздействия, увеличилась на следующие значения: на расстоянии 0.7 метра от скважины температура увеличилась на 100°С; на расстоянии от 0.7 до 2.5 метров - на 85°С; на расстоянии от 2.5 до 7.5 метров - на 65°С; на расстоянии от 7.5 до 15 метров - на 30°С; на расстоянии от 15 до 22.5 метров - на 20°С; на расстоянии от 22.5 до 27.5 - на 15°С; на расстоянии от 27.5 до 35 на 10°С; на расстоянии от 35 до 42 метров на 5°С; далее увеличение температуры вследствие акустического значения считается 0°С.
Избыточная температура около забоя может быть снята с помощью охлаждения закачиваемой водой.