СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
PROCEDURE FOR ELECTRO-CHEMICAL TREATMENT OF PRESSURE WELLS

Изобретение относится к области добычи нефти из скважин на месторождениях и может быть применено для интенсификации добычи нефти путем электрохимического разложения попутно добываемой пластовой воды в скважине и воздействия на нефтяные пласты водной средой с новыми свойствами. При этом эффект воздействия достигается за счет совмещения тепловых, химических и электрических процессов.
Компонентный состав минерализованных пластовых вод нефтяных месторождений позволяет получить активный водный раствор с необходимыми свойствами без дополнительных химических реагентов путем изменения водородного показателя рН пластовой воды за счет воздействия на них электрическим током при соответствующих режимах обработки. Новые свойства пластовой воды при обработке постоянным током, в том числе соотношение выхода окислителей и восстановителей, зависят от индивидуальных особенностей процесса и, в частности, определяются величиной подаваемого на электроды напряжения, материала анода, состава и минерализации пластовых вод. Экспериментальным путем установлены два основных вида воздействия: электрохимическое и ионно-плазменное. Они относятся к способам генерирования в обрабатываемой среде химически активных частиц под действием электрического разряда и плазмы соответственно.
В основе электрохимического воздействия на минерализованную воду лежат электролиз водного раствора хлорида натрия с образованием щелочи:
2
2
2
2NaCl+2НO=H↑+2NaOH+Cl↑,
сопутствующие электрохимические процессы и нагрев как конечных продуктов электролиза, так и самого раствора. Материально-энергетические характеристики этих процессов описываются законами Фарадея и Джоуля-Ленца.
Исследования процессов, происходящих при электрохимическом воздействии на минерализованную воду, проводились на установке, состоящей из стеклянной емкости, куда залита минерализованная вода, анода и катода, счетчика газа, токопроводов к аноду и к катоду, изоляторов, источника постоянного тока.
Подаваемое на электроды напряжение составляло от 10 до 20 В, сила тока изменялась от 2 до 30 А. Опыты показали изменение водородного показателя среды рН вследствие электрохимического воздействия до 9-10.
Ионно-плазменное воздействие реализуется при увеличении напряжения и температуры раствора, когда вокруг анода устанавливается пленочное кипение. При этом образуется парофазная оболочка, в которой наблюдается объемное свечение и происходит образование низкотемпературной газоразрядной плазмы. Т.е. в объеме электролита возникает разряд, когда около электрода образуется паровый пузырь, в котором происходит электрический пробой. Плазмообразующим газом выступают исключительно пары компонентов электролита. Энергия от внешнего источника передается в газ через электронную компоненту плазмы. Далее происходит возбуждение атомов и молекул, ионизация и диссоциация. В полученной химически активной среде быстро протекают различные химические реакции между ее компонентами. Химические взаимодействия образующихся активных частиц ведут к изменению свойств раствора в целом.
Исследования процессов, происходящих при ионно-плазменном воздействии на минерализованную воду, проводились на стенде для испытания возбуждения генератора ионно-плазменного воздействия - это экспериментальная установка, состоящая из герметичной колонны объемом 25 литров, внутри которой находится изолированные анод и катод. Стенд оснащен комплексом приборов для наблюдения за характеристиками процесса. Для проведения исследований разработан специальный источник питания, позволяющий обеспечить бесступенчатое регулирование выходного напряжения постоянного тока.
2
.
.
2
Колонна стенда заполнялась попутной пластовой водой нефтяного месторождения. Напряжение, подаваемое в зону реакции, изменялось от 5 до 80 В. Ионно-плазменное воздействие проводилось под давлением до 40 кг/см и при полном погружении электродов в электролит. Рост температуры и давления происходил плавно. С ростом приложенного к электродам напряжения ток через раствор возрастает, однако при напряжении 40-50 В ток резко падает, потом снова медленно возрастает. На аноде появляются газовые пузырьки, в которых наблюдается свечение. В отечественной литературе это явление связывается с микроразрядами, наблюдаемыми на аноде. Механизм процессов в анодных микроразрядах связан с образованием свободных радикалов при разрушении молекулы воды НО→ОН+Н. Скачки показаний напряжения и силы тока, звук в виде стука обусловлены электрическими разрядами в газах (в газовых пузырьках, образующихся вокруг анода в электролите) - прохождении электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа и электролита - пластовой воды. Звуки электрических пробоев слышны с максимумами показаний на вольтметре и амперметре.
Когда ионизация газа происходит при непрерывном действии внешнего ионизатора и малом значении разности потенциалов между катодом и анодом в газе, начинается «тихий разряд» (в нашем случае это происходит при образовании газового облака вокруг электрода). При повышении разности потенциалов силы тока «тихого разряда» сначала увеличивается пропорционально напряжению, затем рост тока с ростом напряжения замедляется, и когда все заряженные частицы, возникающие под действием ионизатора в единицу времени, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит. При дальнейшем росте напряжения сила тока снова возрастает и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд. В этом случае сила тока определяется как интенсивностью воздействия ионизатора, так и газовым усилением, которое зависит от давления газа в пространстве, занимаемом разрядом. Переход несамостоятельного электрического разряда в газе в самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока и называется электрическим пробоем газа. Соответствующее напряжение называется напряжением зажигания. В результате таких пробоев образуется один или несколько узких проводящих (заполненных плазмой) каналов, исходящих от одного из электродов. Таким образом реализуется режим ионно-плазменного воздействия.
Измерения на рН-метре показали, что пластовая вода без внесения в нее дополнительных химических реагентов вследствие ионно-плазменного воздействия превращается в активный раствор с преобладающими кислотными свойствами. Так, значения водородного показателя меняются от исходного рН=7,5 до рН=6,4 (время воздействия 55 минут) и рН=4,5 (171 минута воздействия). Опыты показали изменение водородного показателя среды рН вследствие ионно-плазменного воздействия до 2-3. В результате подобного воздействия она изменяет свою плотность, вязкость, минерализацию, химический состав и другие свойства.
В результате электрохимического или ионно-плазменного воздействий происходит нагрев водных растворов посредством диссипации части электрической энергии в тепловую, минерализованные пластовые воды нефтяных месторождений приобретают кислотные или щелочные свойства без добавления химических реагентов, что подтверждено результатами исследований. Это позволяет использовать электрохимическое и ионно-плазменное воздействие в технологиях интенсификации добычи нефти.
Кроме того, обнаружено наличие пост-эффекта, т.е. сохранение свойств раствора воды после выключения разряда на протяжении продолжительного времени.
Известен способ электрохимической обработки продуктивного пласта нефтегазовых скважин, включающий глушение скважины жидкостью - минерализованной водой, извлечение скважинного оборудования, установку в скважину электрически связанных с источником тока электродов, включение постоянного источника тока и проведение обработки продуктивного пласта электрическим полем. При этом установку в скважине электродов производят с размещением их ниже динамического уровня жидкости в скважине: анод устанавливают в зоне продуктивного пласта, катод - на 10-100 м ниже анода [1]. Способ позволяет получить кислотный водный раствор для обработки зоны продуктивного пласта.
Недостатком данного способа является малая эффективность метода, обусловленная большими потерями энергии вследствие значительного расстояния между электродами и ограниченность обработки зоны пласта.
Известен способ обработки продуктивного пласта нефтегазовых скважин путем импульсного и ионно-плазменного воздействия на пласт на уровне перфорации скважины, включающий пропускание постоянного электрического тока через закачиваемую в скважину минерализованную воду, при этом на пласт периодически через каждые 25-30 мин осуществляют импульсное воздействие электрическими импульсными разрядами [2]. Способ позволяет проводить очистку (декольматацию) призабойной зоны скважины путем разложения пластовых вод, остаточной нефти, нефтебитумов, минеральных сгустков.
Недостатком данного способа является невысокая эффективность при обработке добывающих скважин, обусловленная ограниченностью зоны обработки пласта.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ электрохимической обработки нефтегазовых скважин, включающий помещение в скважину в зону продуктивного пласта электрически связанных с источником тока электродов, одним из которых является обсадная труба, включение источника тока и проведение обработки продуктивного пласта электрическим полем путем пропускания постоянного электрического тока через пластовую воду в скважине [3]. Использование данного способа позволяет проводить очистку (декольматацию) призабойной зоны скважины, регулировать движение воды и благодаря этому либо уменьшать обводненность флюида, либо герметизировать заколонное пространство.
Недостатком данного способа является длительное время обработки пласта электрическим током на протяжении почти двух месяцев и ограниченность зоны обработки пласта.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности и нефтедобычи. Технический результат достигается тем, что в зону продуктивного пласта скважины производится спуск электрически связанного с источником постоянного тока электрода-анода, соединение минусовой клеммы источника постоянного тока с обсадной колонной, включение источника тока и проведение обработки призабойной зоны пласта путем пропускания постоянного электрического тока через пластовую воду в скважине до получения водной кислотной среды, которую затем задавливают под давлением в призабойную зону пласта для возможности обработки околоскважинного пространства, после истечения времени химической реакции кислотной среды с горной породой призабойной зоны пласта проводят смену столба воды в стволе скважины с одновременным выносом кольматанта, затем производится повторное воздействие электрическим током на пластовую воду в скважине с измененным режимом электрообработки до получения водной щелочной среды, и производят закачку воды в скважину при продолжающейся обработке электрическим током для задавки щелочной среды вглубь пласта и создания оторочки водной щелочной среды в пласте.
Заявленный способ позволяет провести операцию в два этапа. После первого этапа операции производится очистка призабойной зоны пласта от асфальто-смолистых и парафинистых веществ, а также растворение материала породы и образование новых пустот призабойной зоны пласта, кислотной средой, образованной в результате электрохимической обработки пластовой воды в скважине и задавки ее в призабойную зону пласта. После второго этапа операции проводится щелочное воздействие на нефтяной пласт посредством получения и задавки вглубь пласта щелочного водного раствора. Щелочная среда снижает поверхностное натяжение на границе нефти с водой, в результате чего нефть смывается с поверхности породы и более полно вытесняется из пор. В итоге произведенных двух этапов операции происходит увеличение добычи нефти.
Принципиальная схема установки, с помощью которой реализуется способ, представлена на чертеже: скважина 1, насосно-компрессорные трубы (НКТ) 2, переводник-уплотнитель 3, кабель 4, генератор электрохимического воздействия (ЭХВ) 5, продуктивный пласт 6, трансформатор 7, пульт управления - выпрямитель 8, обсадная колонна 9, струйный насос 10, пакер 11, насосный агрегат ЦА-320 12, бойлер 13, агрегат для спуска кабеля 14.
Работа установки состоит в следующем. В нагнетательную скважину 1 на трубах НКТ 2 спускается анод, например, выполненный в виде генератора ЭХВ 5, с подсоединенным кабелем 4, опускаемым на агрегате для спуска кабеля 14 с расчетом установки генератора в районе продуктивного пласта 6. На устье скважины через кабель подключается трансформатор 7 с преобразователем постоянного тока 8. Минусовая клемма источника постоянного тока от преобразователя соединяется с обсадной колонной 9 скважины 1, а плюсовой - с кабелем 4. Между струйным насосом 10 и генератором ЭХВ 5 устанавливается пакер 11. К затрубному пространству скважины 1 подключается насосный агрегат 12, а к НКТ 2 - бойлер 13 или желобная емкость 13. При подаче постоянного напряжения на обсадную колонну 9 и генератор ЭХВ 5 через кабель 4 в скважине 1 протекает электрический ток через пластовую минерализованную воду, в результате чего происходят различные электролитические процессы, сопровождаемые нагревом скважинной жидкости и выделением больших объемов свободного газа. Обработку призабойной зоны пласта 6 путем пропускания постоянного электрического тока через пластовую воду в скважине 1 проводят в режиме ионно-плазменного воздействия до получения водной кислотной среды, которую затем задавливают под давлением насосным агрегатом 12 в призабойную зону пласта 6 для возможности обработки околоскважинного пространства.
Сущность изобретения заключается в том, что с помощью установки операцию проводят в два этапа. В ходе первого этапа операции производится очистка призабойной зоны пласта 6 от асфальто-смолистых и парафинистых веществ, а также растворение материала породы и образование новых пустот призабойной зоны пласта, кислотной средой, образованной в результате электрохимической обработки пластовой воды в скважине 1 и задавки ее в призабойную зону пласта 6. В результате комплексного воздействия, включающего образование кислотной среды, нагрев, выделение свободного газа, происходит разрушение связей кольматанта в поровом околоскважинном пространстве. После истечения времени химической реакции кислотной среды с горной породой призабойной зоны пласта включают предусмотренный в компоновке подземной части установки струйный насос 10, который позволяет вытеснить околоскважинную жидкость с кольматирующими материалами из порового пространства в скважину 1 и вынести их на поверхность.
После первого этапа операции проводят смену столба воды в стволе скважины 1. Затем включается режим электрохимического воздействия и проводится второй этап операции, при котором производится воздействие на пластовую воду в скважине 1 постоянным электрическим током до получения активного водного раствора, обладающего щелочными свойствами. Далее производят закачку воды в скважину 1 при продолжающейся обработке электрическим током для задавки под давлением насосным агрегатом 12 щелочной среды вглубь пласта 6 и создания оторочки водной щелочной среды в пласте для повышения нефтеотдачи пласта. Щелочная среда снижает поверхностное натяжение на границе нефти с водой, в результате чего нефть смывается с поверхности породы и более полно вытесняется из пор.
Таким образом, изобретение позволяет повысить производительность и нефтедобычу без использования химических реагентов путем кислотной обработки призабойной зоны скважины и затем щелочного воздействия на нефтяной пласт.
Список источников
1. Патент РФ №2305177, Е21В 43/25, 2006 г.
2. Патент РФ №2213860, Е21В 43/25, 2001 г.
3. Патент РФ №2087692, Е21В 43/25, Е21В 36/04, 1997 г.