УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАРНО-ДЕПРЕССИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРИЗАБОЙНУЮ ЗОНУ ПЛАСТА И ОЧИСТКИ ЗАБОЯ СКВАЖИН
INSTALLATION FOR IMPACT-DEPRESSION EFFECT ONTO BOTTOMHOLE ZONE OF RESERVOIR AND FOR CLEANING BOTTOMHOLE OF WELL

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для ударно-депрессионного воздействия на зону перфорации нефтегазовых скважин и очистки забоя скважин, может найти применение в нефтегазодобывающей промышленности.
В практике воздействия на зону перфорации нефтяных, газовых и нагнетательных скважин, с целью увеличения добычи или приемистости, нашли применение устройства, в основу которых заложены следующие методы: гидро- и газоразрывы, термические, акустические, электромагнитные, химические, взрывные, имплозионные (депрессионные) и их возможные комбинации. В практике очистки забоя скважин нашли применение устройства, в основу которых заложены следующие методы: буровые, гидромониторные (промывка забоя скважин через колонну труб НКТ), механические (ловушки, шнековые устройства и др.) и имплозионные. Из перечисленных методов обработки зоны перфорации наиболее широко применяются гидроразрывы пластов, химические, термические и имплозионные методы. При очистке забоя скважин наиболее широко применяется промывка забоя скважин через колонну НКТ, механические и имплозионные ловушки для ловли посторонних предметов на забое.
Из многих конструкций, использующих имплозионный (депрессионный) эффект, типичными являются:
Устройство по а.с. №2158363 [1] для имплозии и термоимплозии, спускаемое на геофизическом кабеле, включает имплозионную камеру, впускной клапан, нагревательную спираль, заряд с узлом поджига, соединенным электрическими проводами с наземным пультом управления. Внутренняя полость впускного клапана снабжена цилиндрическим упором, выполненным из изоляционного термопластичного материала, прошитого первой нагревательной спиралью, соединенной с наземным пультом. Заряд с узлом поджига размещен в несгораемом охранном кожухе, имеющем боковые отверстия. Узел поджига состоит из уплотнителя, прошитого второй нагревательной спиралью, соединенной с наземным пультом. Снаружи, по окружности имплозионной камеры, установлены примыкающие друг к другу пластины, верхняя часть которых скошена в сторону имплозионной камеры, нижняя прикреплена к ее корпусу. Количество пластин составляет 10-20 штук, причем пластины могут быть двухслойные. Открытие имплозионной камеры осуществляется расплавлением цилиндрического упора из термопластичного материала при подаче электрического тока с поверхности по геофизическому кабелю. Недостатком здесь является необходимость изготовления одноразового цилиндрического упора из термопластичного материала, расчитанного на значительное давление, причем не факт, что сечение, открываемое при его расплавлении, будет необходимым.
Известно также устройство по а.с. №2097531 [2] для очистки забоя при ремонте скважины в нефтедобывающей промышленности. Сущность изобретения: при достижении имплозионной камеры, спускаемой на геофизическом кабеле, с диафрагмой в качестве запорного элемента в нижней части забоя скважины по каротажному кабелю подается электрический ток к приводу электродвигателя. В результате вниз падает груз, приводиться в действие подпружиненный боек. Разрушается диафрагма, скважинная жидкость заполняет воздушную камеру, увлекая за собой шлам и различные предметы, находящиеся на забое, в приемную камеру-ловушку. Лепестковый затвор отжимается. При этом часть шлама засасывается в воздушную камеру. По окончании процесса всасывания отверстие в диафрагме перекрывается бойком под действием пружины, предотвращая потерю выносимого шлама. Недостатком этого устройства является ненадежность открытия имплозионной камеры в условиях наклонных скважин.
Наиболеее же близким к предлагаемому является устройство, очень эффективно использующее депрессию и ударные воздействия при имплозионном эффекте, называемое гидрогенератором давления и описанное в [3] (со стр.47).
Гидрогенератор давления (ГГД) состоит из корпуса (имплозионная или депрессионная камера), мембраны (в качестве запорного элемента имплозионной камеры), плунжера (для осуществления ударного воздействия) и ловушки (для направления гидроудара). Гидрогенератор давления спускают в скважину на необходимую глубину на колонне труб НКТ с таким расчетом, чтобы середина окон ловушки оказалась против интервала обрабатываемого пласта. После этого затрубные задвижки закрывают и путем повышения давления на устье за счет закачки в скважину рабочего агента осуществляют разрыв мембраны. Затем скважинная жидкость со скоростью 100-150 м/с заполняет имплозионную камеру и выталкивает плунжер в ловушку, создавая в обрабатываемой зоне пласта (на уровне окон ловушки) гидравлический удар с давлением, превышающим горное (оно может превышаться в разы). Это в свою очередь обеспечивает образование искусственных или расширение уже имеющихся остаточных трещин в призабойной зоне пласта, которые вследствие необратимых процессов деформации горных пород полностью не смыкаются под действием горного давления.
Таким образом, основа метода заключается в том, что улучшение фильтрационной характеристики призабойной зоны пласта и, следовательно, повышение дебита добывающих и приемистости нагнетательных скважин достигается за счет использования энергии гидравлического удара падающего столба скважинной жидкости, высота которого равна глубине обрабатывемого пласта. Простой расчет показывает, что изменение потенциальной энергии падающего столба жидкости при глубине пласта 2000 м, диаметре колонны 127 мм, длине имплозионной камеры 10 м и ее диаметре 60 мм составляет 560 кДж (155кВт·ч или 133,4 ккал). В сравнении со значениями энергии, доставляемой на забой пороховыми генераторами давлений (1000 ккал/кг), это не очень значительная величина, но поскольку почти вся энергия депрессионно-ударного воздействия преобразуется в энергию механическую, то это механическое воздействие оказывается очень значительным. Например, в [3] (стр.86) приводятся расчеты, согласно которым давление гидроудара в скважине достигает значений в 250 МПа, что значительно превышает горное давление в нефтегазовых пластах.
Несмотря на наличие несомненных преимуществ этого метода и устройства имеются и недостатки, на которые указывает сам автор метода в [3]:
- Продолжительное время осуществления одной операции ударно-депрессионного воздействия на пласт вследствие спуска устройства на колонне труб НКТ. По предлагаемой технологии первый спуск устройства осуществляется без плунжера с целью очистки обрабатываемой зоны, а уже второй спуск осуществляется с плунжером для дополнительного ударного воздействия. При мощности же обрабатываемого пласта более 2 м одной операции явно недостаточно и количество спусков устройства значительно увеличится;
- Достаточно сложный для осуществления и ненадежный способ открытия запорного элемента имплозионной камеры (изготовление мембраны, разрушаемой давлением насосного агрегата с поверхности, достаточно сложная и ответственная операция, были случаи как преждевременного разрушения мембран при спуске устройства, так и случаи невозможности разрушения мембран);
Целью заявляемого изобретения является сокращение времени производства одной операции, повышение надежности работы устройства и расширение функциональных возможностей устройства (например, использование для операций очистки забоя до и после воздействия на призабойную зону пласта и использование при операциях термоимплозии).
Заявляемое устройство для ударно-депрессионного воздействия на призабойную зону пласта (далее ПЗП) и очистки забоя скважин (см. чертеж) содержит модуль радиоактивного каротажа 1 с проходными жилами для привязки к разрезу скважины, головку 2 с клапаном 3 для стравливания избыточного давления и устройством для прохода токоведущих жил 4, ловушку (отрезок трубы НКТ с щелевидными вертикальными прорезями) 5 для направления гидроудара в зону пласта с конусом-отражателем 6 для концентрации удара, плунжер 7 для создания гидроудара с устройством для прохода токоведущих жил 8, имплозионную камеру 9, клапан имплозионной камеры 10, включающий поршневое устройство 11 (верхний 12 и нижний 13 поршни, шток 14, устройство для прохода токоведущей жилы 15), цилиндр 16 с гидравлической жидкостью, пробку 17, электрический затвор с нагревательной спиралью 18, плавким элементом 19, удерживающим элементом 20 и сменную насадку 21. В качестве сменной насадки могут быть установлены направляющий патрубок (отрезок трубы НКТ с щелевидными вертикальными прорезями и заглушенным нижним концом) для приема флюида и кольматирующих элементов из пласта, шламоприемное устройство 21 для отбора шлама с забоя скважины или переводник для крепления какого-либо типа порохового заряда для термообработки. Для подачи электрического тока на затвор и пороховые заряды с геофизической головки проходят электрические провода 22 и 23.
При осуществлении методики воздействия на ПЗП [3] устройство работает следующим образом:
- Для производства депрессионного воздействия на интервал перфорации или очистки забоя скважины устройство снаряжается, спускается в скважину без ловушки 5 и плунжера 7. После привязки к разрезу скважины, с помощью модуля радиоактивного каротажа 1, направляющий патрубок устройства устанавливается напротив интервала перфорации или на забой находящимся в нижней части шламоприемным устройством 21. При этом вне устройства давление равно скважинному давлению на достигнутой глубине (до 40 МПа при глубинах до 3000 м), в полости имплозионной камеры 9 и корпусе клапана 10 давление равно атмосферному (равному на устье скважины при снаряжении устройства), в цилиндре с гидравлической жидкостью 16, ограниченном верхним поршнем 12 поршневого устройства и пробкой 17, давление можно найти из формулы:
где
Р - давление в цилиндре;
с
Р - давление в скважине;
в
S- площадь верхнего поршня;
н
S - площадь нижнего поршня.
Таким образом нижний поршень 13 является запорным элементом имплозионной камеры 9, опирающимся через шток 14, гидравлическую жидкость в цилиндре 16, пробку 17 и удерживающий элемент на корпус клапана 10. Цилиндр 16 запрессован в перемычке корпуса клапана 10 и оставляет сообщение между корпусом имплозионной камеры 9 (труба НКТ) и полостью ниже клапана 10. При подаче с поверхности через геофизический кабель электрического тока на нагреваемую спираль 18 она нагревает плавкий элемент 19 (полиэтиленовое кольцо), который при разрушении освобождает удерживающий элемент 20 и соответственно пробку 17. При этом скважинное давление, воздействуя на нижний поршень 13, перемещает через шток 14 верхний поршень 12, и гидравлическая жидкость в цилиндре 16 выталкивает пробку 17. Результатом движения нижнего поршня 13 является открытие полости клапана 10 и имплозионной камеры 9. Скважинная жидкость, двигаясь вверх по имплозионной камере 9 с большой скоростью, создает имплозионный эффект, заключающийся в создании области депрессии в области интервала перфорации через направляющий патрубок 5. Элементы, кольматирующие зону перфорации пласта, могут засасываться и оседать в направляющем патрубке. В имплозионной камере возникнет ударное давление, переходящее в знакопеременные, затухающие колебания давления.
При установке устройства на забой с шламоприемным устройством 21, при открытии клапана 10 и возникновении имплозионного эффекта произойдет засасывание шлама, находящегося на забое в имплозионную камеру 9. Лепестковая конструкция внизу шламоприемного устройства 21 удержит шлам внутри устройства при подъеме. При закупоривании имплозинной камеры 9 шламом и возможном сохранении внутри ее избыточного давления используется клапан 3 в геофизической головке 2. С его помощью избыточное давление будет стравливаться после подъема устройства из скважины.
- Для производства ударно-депрессионного воздействия на интервал перфорации устройство снаряжается, спускается в скважину с ловушкой 5 и плунжером 7. После привязки к разрезу скважины, с помощью модуля радиоактивного каротажа 1, ловушка 5 устройства устанавливается напротив интервала перфорации. После открытия имплозионной камеры 9 движущаяся в ней с большой скоростью скважинная жидкость создает ударное давление на плунжер 7, находящийся в верхней части имплозионной камеры. В свою очередь плунжер 7 через ловушку 5 передает ударное давление в обрабатываемую зону пласта. Конус 6 служит для концентрации передаваемого давления в горизонтальной плоскости.
- Для производства термоимплозионного воздействия на ПЗП устройство можно использовать в соответствии с существующими методиками термоимплозионного воздействия и переводником для крепления соответствующего порохового заряда.
При изготовлении вышеописанного устройства соблюдаются следующие условия:
- Площади сечения входа в имплозионную камеру (площадь сечения поршня 13), кольцевого сечения прохода между корпусом клапана 10 и цилиндром с гидравлической жидкостью 16, сечения прохода для жидкости в перемычке с цилиндром 16 внутри корпуса клапана 10, сечения имплозионной камеры выполнены одинаковыми;
- Материал и диаметр цилиндра 16, толщина его стенок, кольцевые резиновые уплотнения поршней (12 и 13) и пробки 17 выбраны способными выдержать возникающее в нем давление (по формуле (1) до 50 МПа при глубине обрабатываемых пластов до 3000 м), что вполне осуществимо.
- Плавкий элемент 19 выдерживает усилие (в нашем случае не более 2000 Н), оказываемое на него пробкой 17 и удерживающим элементом 20.
Применение данного устройства для ударно-депрессионного, термоимплозионного воздействия на ПЗП и очистки забоя скважин позволит быстро и эффективно выполнять работы по воздействию на ПЗП нефтегазовых скважин и производить очистку забоев скважин с минимальными затратами времени, материалов (промывочной воды) и, соответственно, минимальным загрязнением окружающей среды.
На основании изложенного считаем, что заявляемая конструкция устройства для ударно-депрессионного воздействия на ПЗП и очистки забоя скважин является новой, промышленно применимой, т.е. соответствует условиям патентоспособности.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №2158363. Устройство для обработки призабойной зоны скважины. Мухаметдинов Н.Н., Кузнецов А.И., Кнеллер Л.Е. 2000 г.
2. Авторское свидетельство №2097531. Устройство для очистки забоя скважины. Фахреев И.А., Камалов Ф.Х., Кривоплясов A.M. 1997 г.
3. Ударные воздействия на призабойную зону скважин. А.А.Попов. М.: «Недра», 1990 г.