УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ СКВАЖИН И ГАЗОГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована для восстановления проницаемости призабойной зоны нефтегазоносных пластов в условиях накопления кольматационных отложений, обеспечивает восстановление проницаемости призабойной зоны в разнообразных геологических условиях за счет использования гидрореагирующих составов с более высокими энергетическими характеристиками и более эффективного использования выделяющейся энергии.
Хорошо известно, что в процессе эксплуатации добывающих скважин в призабойной зоне пласта происходит накопление отложений парафинов, асфальтенов и песчано-глинистых частиц.
Основным негативным воздействием на призабойную зону пласта как нагнетательных, так и эксплуатационных скважин оказывают твердые или загущенные компоненты углеводородов, которые накапливаются в ней из объема отбираемой продукции или закачиваемой воды, а также изменения скелета породы и продукты коррозии (частицы металла в смеси с минеральными включениями)
В результате проницаемость призабойной зоны пласта падает и, следовательно, снижается продуктивность скважин. С этим следует считаться, и без периодических плановых очисток от загрязнения скважина нормально эксплуатироваться не может
Эффективными методами восстановления дебита в этих условиях является тепловая (термогазохимическая) обработка призабойной зоны пласта и создание расходящихся от скважины трещин, обеспечивающих ее гидродинамическую связь с удаленной зоной пласта.
Из уровня техники известно техническое решение (аналог): «Способ обработки призабойной зоны пластов нефтедобывающих скважин и устройство для его осуществления» (заявка №2006126466 от 20.06.2006 года, дата публикации 20.08.2008 года), в котором на месторождении выбирают скважины с закупоркой призабойной зоны пласта твердыми отложениями, определяют состав отложений, останавливают скважину, поднимают глубинно-насосное оборудование, доставляют на обрабатываемый интервал скважины на колонне труб термогазохимический генератор в трубчатом контейнере.
Термогазохимический генератор выполнен в виде твердотелых частиц гидрореагирующего вещества, способного к экзотермической реакции с водой. Частицы гидрореагирующего вещества размещены в цилиндрических капсулах, как минимум в одной. Капсулы выполнены герметичными и изготовлены из разрушаемого материала и установлены в полости контейнера. Капсулы с твердотелыми частицами гидрореагирующего вещества заполнены жидким химреагентом, не вступающим в реакцию с гидрореагирующим составом, но растворяющим отложения в призабойной зоне пласта. Контейнер выполнен с радиальными окнами на боковой поверхности и содержит узел вскрытия капсул, размещенный в нижней части контейнера.
Основной недостаток: необходимость проведения спускоподъемных операций компоновки из насосно-компрессорных труб (НКТ) бригадой капитального ремонта скважин перед обработкой и после нее, вследствие чего происходит удорожание работ по обработке призабойной зоны пласта. Эти операции сопровождаются глушением скважины жидкостью глушения, что может полностью нивелировать полученный эффект от обработки призабойной зоны. Данный вид обработки может проводиться только спуском прибора на НКТ или на грузонесущем геофизическом кабеле, расположенном в геофизическом подъемнике.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ создания радиальных трещин в пласте путем использования реакции щелочного металла с водой и устройство его реализующее (см. «Методы интенсификации притоков в нефтяных и газовых скважинах с использованием энергии взрыва и горения взрывчатых веществ», A.M.Дуванов, И.Н.Гайворонский, А.А.Михайлов и др. - М., ВИЭМС, 1990. - 34 с.(прототип, с.6).
Сущность известного технического решения состоит в следующем: через обсадные колонны в скважину на кабеле опускают специальный снаряд, выполненный в виде корпуса из разрушаемого материала, содержащего брикеты щелочного металла, например, натрия. В середине снаряда установлена запальная головка, размещенная в стеклянном сосуде с водой. В момент подачи электрического тока к запальной головке стеклянный сосуд разрушается и небольшое количество воды, содержащейся в сосуде, вступает в контакт с щелочным металлом, в результате чего происходит бурная химическая реакция. Корпус снаряда разрушается, и брикеты натрия вступают в реакцию с содержащейся в скважине водой с выделением водорода и тепла. Давление в скважине возрастает и, при достижении определенного уровня давления, происходит образование радиальных трещин. Скорость реакции регулируют формой брикетов, т.е. площадью их наружной поверхности.
К недостаткам прототипа необходимо отнести следующие обстоятельства. Приведенная последовательность действий сама по себе не обеспечивает достижения желаемого результата, т.е. образования в призабойной зоне пласта радиальных трещин требуемого размера при сохранении целостности обсадной колонны и скважинного оборудования. Для образования достаточно длинных радиальных трещин за счет сжигания в скважине той или иной топливной композиции необходимо длительное поддержание избыточного давления, обеспечивающего развитие трещин по механизму расклинивания. При этом увеличение длительности сопряжено с существенным возрастанием риска повреждения скважины, что обусловлено возможностью локального превышения безопасного уровня избыточного давления и/или температуры.
Любой способ и устройство его реализующее создания радиальных трещин в призабойной зоне пласта должен удовлетворять двум обязательным условиям.
Во-первых, необходимое избыточное давление в скважине в интервале продуктивного пласта должно поддерживаться настолько длительное время, чтобы длина образующихся трещин превысила размеры зоны пониженной проницаемости.
Во-вторых, должна быть исключена возможность роста давления и температуры до опасного уровня.
При приближении к опасному уровню давления скорость разгрузки должна компенсировать нарастание давления за счет выделения газофазных продуктов и тепла. Аналогичное утверждение относится и к температуре: с приближением температуры в скважине к опасному уровню скорость теплоотвода должна превышать скорость тепловыделения. Однако, известное техническое решение не содержит необходимых ограничений на соотношение между интегральной скоростью реакции и скоростями разгрузки и теплоотвода.
Утверждение же о возможности регулирования скорости реакции формой брикетов щелочного металла является, по существу, ошибочным.
Это утверждение основано на очевидном факте пропорциональности скорости реакции величине площади контакта щелочного металла с водой, т.е. площади реакционной поверхности. При этом не принимается во внимание, что величина площади реакционной поверхности на практике не может служить параметром управления. Дело в том, что температура плавления щелочных металлов невелика. В частности, температура плавления натрия изменяется от 98°C при нормальном давлении до 106°C при давлении 100 МПа; температура плавления калия в этом же интервале давлений меняется от 63,5°C до 78,5°C. Если пластовая температура превышает температуру плавления щелочного металла (пластовые температуры чаще всего принадлежат интервалу 50…120°C), то щелочной металл будет находиться в жидком состоянии еще до инициирования реакции. Если же пластовая температура ниже температуры плавления, то плавление щелочного металла будет иметь место на начальной стадии реакции при относительно малом разогреве в несколько десятков градусов. И в том, и в другом случае начальная форма брикетов щелочного металла не играет существенной роли, поскольку основная стадия реакции, сопровождающаяся разогревом в несколько сот градусов и значительным повышением давления, идет на границе двух жидких веществ. В этих условиях форма и площадь реакционной поверхности определяется совместным течением жидкого щелочного металла и скважинной жидкости, так что регулирование скорости реакции формой брикетов в действительности неосуществимо.
По существу, техническое решение, являющееся прототипом, трудно назвать способом обработки призабойной зоны пласта. Более того, любые технические решения, основанные на использовании в качестве топлива щелочных металлов, обладают рядом принципиальных недостатков.
Во-первых, реакции щелочных металлов с водой обладают низкой теплотой и малым удельным газовыделением.
Во-вторых, высокий уровень взрыво- и пожароопасности хранения, транспортировки и обращения с большими массами щелочных металлов требует принятия специальных дорогостоящих мер предосторожности. Наконец, очевидным препятствием к широкому применению щелочных металлов в практике обработки является их высокая стоимость.
Подводя итог изложенному, можно сделать следующий вывод: все существующие способы восстановления проницаемости призабойной зоны пласта либо очень дороги, либо отличаются невысокой эффективностью, повышенным риском повреждения скважины или скважинного оборудования, взрыво- и пожароопасностью.
Технической задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего эффективную безопасную и экономичную обработку призабойной зоны пласта, обеспечивающего восстановление проницаемости призабойной зоны в разнообразных геолого-технических условиях.
Предлагаемое устройство обеспечивает обработку скважины путем спускоподъемных операций на грузонесущей проволоке или на тросе обычными транспортными средствами для гидродинамических исследований скважин. Так гораздо экономичней, а в нагнетательных скважинах можно проводить обработку под давлением закачки, не останавливая нагнетание воды в пласт.
Техническая задача достигается тем, что в устройстве для тепловой обработки скважин и газогидроразрыва пласта, включающем спускаемый в скважину на кабеле, проволоке или гибкой трубе через обсадную трубу и колонну насосно-компрессорных труб генератор тепла скважинный с гидрореагирующим составом, не способным к горению за счет внутренних ресурсов и обладающим свойством вступать в гетерогенную химическую реакцию, по меньшей мере, с водой скважинной жидкости с выделением тепла и газофазных продуктов, генератор тепла скважинный состоит из n≥1 отдельных, соединенных между собой с интервалом друг от друга секций, последовательно распределенных по глубине скважины от устья к забою. Каждая отдельная секция генератора выполнена в виде корпуса с перфорированными стенками, во внутренней полости которого расположена водонепроницаемая оболочка с размещенным внутри нее гидрореагирующим составом массой от 1,0 до 2,5 килограммов на один погонный метр интервала обработки скважины и снабжена электронным блоком управления с таймером запуска, предварительно установленным на заданное время, соединенным с элементом вскрытия водонепроницаемой оболочки, обеспечивающим инициирование реакции гидрореагирующего состава генератора со скважинной жидкостью последовательно с временной задержкой в направлении от устья к забою.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена общая схема устройства в собранном состоянии, на фиг.2 - конструкционное исполнение отдельной секции генератора тепла.
Устройство в собранном состоянии, готовом к работе (см. фиг.1), включает обсадную трубу 1, колонну насосно-компрессорных труб 2, пакер 3, кабель, проволоку или гибкую трубу 4 и генератор тепла скважинный 5. На фиг.1 также показано, какими элементами конструкции устройство расположено внутри нефтяного пласта 6 и где распложена зона обработки 7.
Основным функциональным элементом устройства, влияющим на достижение технического результата, является генератор тепла скважинный 5, который состоит из отдельных функциональных соединенных между собой секций 8 и 9.
Отдельные секции 8 и 9 могут быть соединены между собой с заданным интервалом L, например, от 0,5 метра до 3 метров. Но величина интервала между секциями может быть и более 3 метров. Величина интервала между секциями генератора и их количество выбирают из планируемых к проведению геолого-технических мероприятий на обрабатываемой скважине и количества одновременно обрабатываемых интервалов перфорации.
Каждая отдельная секция 8 или 9 и т.д. генератора тепла 5 состоит из стойкого к механическим повреждениям металлического корпуса 10 с элементами перфорации 11 на стенках. Во внутренней полости корпуса 10 расположена в герметичная оболочка 12 с размещенным внутри нее гидрореагирующим составом, содержащим активные по отношению к реакции с водой металлы и обладающим свойством не пассивироваться в реакции с компонентами скважинной жидкости, т.е. без эффекта торможения реакции.
Количественная масса гидрореагирующего состава в каждой секции 8 или 9 может колебаться от 1,0 до 2,5 килограммов на один погонный метр интервала обработки скважины.
Для оптимальной работы заявляемого устройства необходимо ограничить область параметров, обеспечивающих результативность обработки призабойной зоны пласта и одновременно минимизацию риска повреждения скважины или скважинного оборудования. Выбор рациональных параметров основан на следующих количественных характеристиках и качественных закономерностях взаимодействия активированного алюминия с водой скважинной жидкости:
удельная теплота реакции активированного алюминия с водой составляет, в зависимости от конечной температуры в скважине, 15200…15900 кДж/моль;
3
в расчете на 1 кг алюминия в реакции расходуется от 1 кг (при образовании оксида алюминия, т.е. при высоких конечных температурах) до 2 кг (при образовании гидраргиллита) воды; масса твердофазных продуктов реакции составляет соответственно от 1,9 кг до 2,9 кг; объем выделяющегося водорода, приведенный к нормальным условиям, составляет 1,244 м;
конденсированные продукты образуются в высокодисперсном состоянии (характерный размер частиц составляет 0,1…1,0 мкм); молекулярный водород полностью растворяется в скважинной жидкости;
основная масса активированного алюминия реагирует с водой в дисперсном состоянии, причем максимальная скорость реакции обратно пропорциональна среднему размеру зерна используемого сплава в степени от 1 до 2;
в представляющем интерес диапазоне давлений скорость реакции практически не зависит от давления;
зависимость скорости реакции от температуры определяется законом Аррениуса с энергией активации около 30 кДж/моль;
скорости реакции возрастает с увеличением кислотности и концентрации ионов хлора в скважинной жидкости. Результативность и безопасность обработки ПЗП генератором тепла с применением гидрореагирующих составов зависит от геолого-технических условий в скважине, массы зарядов и скорости их реакции со скважинной жидкостью. Таким образом, указанный выбор величины погонной массы генератора тепла был выбран для типичных скважинных геолого-технических условий.
Каждая отдельная секция 8 или 9 генератора тепла 5 содержит электронный блок управления 13 с таймером запуска 14, соединенным с элементом вскрытия (на чертеже не показано, поскольку элемент вскрытия входит в состав конструкции таймера запуска) герметичной оболочки 12.
Количество отдельных секций генератора тепла 5 в устройстве может быть в виде одной или более одной (N>1) секции.
Выбор количества секций генератора тепла 5 зависит от:
- глубины интервала обработки 7
- расстояния от верхнего интервала перфорации до места установки пакера 3
- плотности перфорации 11.
Каждая отдельная секция 8 или 9 содержит элементы 15 и 16 крепления каждой отдельной секции друг к другу и первой секции в связке к кабелю/ проволоке/ гибкой трубе 4.
Функционирует устройство следующим образом: Электронный блок управления 13 с таймером запуска 14 через кабель 4 подключается к контроллеру и оператор выставляет время его активации (заданное время запуска). После этого оператор соединяет отдельную секцию 8 или 9 генератора тепла 5 и электронный блок 13 с таймером запуска 14. Собранная конструкция в составе, например, отдельная секция 8, электронный блок управления 13 с таймером запуска 14, установленным на заданное время срабатывания элемента вскрытия герметичной оболочки 12, и собранная конструкция в составе, например, отдельная секция 9, электронный блок управления 13 с таймером запуска 14, установленным на заданное время срабатывания элемента вскрытия герметичной оболочки 12, соединяются между собой.
Всю собранную конструкцию крепят к кабелю/проволоке/гибкой трубе 4. В зависимости от поставленной задачи обработки призабойной зоны пласта количество секций генератора тепла 5 может меняться от одной до нескольких в одной связке. Секции могут быть соединены между собой на расстоянии от 0,5 до 3,0 метров друг от друга. Время запуска данной секции в работу на таймере запуска 14, соединенном с элементом вскрытия, устанавливается также в зависимости от поставленной задачи (инициирование реакции гидрореагирующего состава генератора тепла со скважинной жидкостью может происходить последовательно с временной задержкой в направлении от устья к забою).
Через обсадную трубу 1 и насосно-коспрессорные трубы 2 вся сборная конструкция опускается в рабочую зону.
Для улучшения проходимости сборки через обсадную трубу 1 и насосно-коспрессорные трубы 2 используются свинцовые грузы. Для контроля параметров обработки (температура/давление) может быть применен автономный манометр. Сборка вводится в скважину. Спуск сборки происходит с расчетной скоростью, чтобы обеспечить доставку генератора тепла 5 в зону обработки 7 до начала его электронной активации В заданное время происходит активация генератора тепла 5, его состав начинает контактировать со скважинной жидкостью и инициируется мощная термогазохимическая реакция.
Состав генератора тепла скважинного не способен к горению за счет внутренних ресурсов и обладает свойствами вступать в гетерогенную химическую реакцию с водой с выделением тепла и газофазных продуктов, т.е. реакция идет на контактной поверхности или в тонком поверхностном слое контакта скважинной жидкости и состава ГТС. При этом реакция в призабойной зоне пласта идет таким образом, чтобы давление и температура в скважине не превышали уровень, при котором возможно ее повреждение, а давление и температура в интервале продуктивного пласта поддерживалось на уровне, обеспечивающем восстановление проницаемости призабойной зоны пласта.
На первой стадии реакции, сразу после привидения состава генератора тепла в контакт с скважинной жидкостью, происходит его диспергирование, обусловленное быстрым проникновением воды вдоль межзеренных границ (и других структурных несовершенств) и возникновением расклинивающих напряжений. В результате от массивного образца термореактора отделяются частицы, размер которых близок к размеру активированного металла.
На второй стадии, взвешенные в растворе дисперсные частицы реагируют с водой в нестесненных условиях. Скорость реакции в каждый момент времени возрастает с увеличением площади поверхности контакта активированного металла со скважинной жидкостью.
В ходе реакции объем жидкости, объем жидкости, содержащийся в скважине, будет увеличиваться из-за термического расширения и смешения с продуктами реакции, объем которых превышает объем исходных реагентов. При необходимости проводится контролируемая разрядка скважины открытием устьевой задвижки (дросселирование или быстрый излив)
Энергетические характеристики обработки термореактором (тепловыделение и скорость газовыделения) увеличиваются в 2 раза в слабом растворе соляной кислоты, водном растворе аммиачной селитры, т.е. при проведении комбинированных обработок: термокислотной или термохимической.
Пример последовательности работы устройства при локальном газогидроразрыве пласта.
1. подъем подземного оборудования;
2. спуск насосно-компрессорных труб 2, механического пакера 3, посадка пакера 3;
3. шаблонирование насосно-компрессорных труб 2 для обеспечения проходимости компоновки генератора тепла 5;
4. долив скважины (создание противодавления на пласт для продавки горячей газожидкостной смеси);
5. установка лубрикаторной площадки на скважину. Установка лубрикатора на скважину. Опрессовка лубрикатора (на чертеже не показано)
6. подготовка расчетного количества отдельных секций генератора тепла 5, сборка, электронный запуск и спуск сборки из секций на проволоке/кабеле/гибкой трубе 4 с автономным манометром через лубрикатор (на чертеже не показано) в обрабатываемый интервал 7.Спуск производится под действием собственного веса сборки и силы тяжести свинцовых утяжелителей;
7. активизация отдельных секций генератора тепла 5 генератора, термобарическое воздействие на призабойную зону пласта;
8. контролируемая разрядка скважины открытием устьевой задвижки. (Сброс избыточного давления из внутренней полости колонны насосно-компрессорных труб 2) Постепенное дросселирование вытекающей жидкости или ее быстрый (мгновенный) излив
9. подъем сборки секций генератора тепла 5; 10.отбор закаченной жидкости и продуктов реакции; 11. спуск насосного оборудования, запуск скважины.
Предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:
- Более производительное использование энергии, выделяющейся в реакции гидрореагирующего состава генератора с водой. При проведении тепловой обработки конструкция генератора позволяет значительно уменьшить конвективный теплообмен прогретой зоны с расположенной выше холодной скважинной жидкостью (плотность нагретой жидкости с продуктами реакции, которые находятся в высокодисперсном состоянии, близка или даже больше плотности холодной, чем и исключается крупномасштабное конвективное течение)
- отсутствует вклад газовой фазы в конвективный теплообмен. Весь выделяющийся в результате реакции водород полностью растворяется в скважинной жидкости. Реакция протекает на межфазной поверхности «активизированный металл - скважинная жидкость». Скорость диффузного отвода водорода больше скорости его образования, поэтому выделяющийся водород поступает в раствор, турболизируя его, и объемная газовая фаза не образуется. В результате доля тепловой энергии, переданной в пласт, значительно увеличивается.
- работа с генератором на кабеле/проволоке через лубрикатор в насосно - компрессорные трубы позволяет минимизировать время извлечения его из скважины и время пуска скважины в эксплуатацию, т.к. призабойная зона пласта начинает интенсивно остывать сразу после окончания ее прогрева независимо от способа обработки, что значительно повышает экономичность устройства.
- тепловой генератор может применяться при температуре выше 150°C, при которой подавляющее большинство известных средств нельзя использовать из-за недостаточной термостойкости
- конструкция генератора полностью исключает возможность неконтролируемого роста давления и температуры в скважине. Скорость реакции при давлении в 5 МПа не зависит от давления. Переход реакции детонационный режим невозможен в принципе
- щадящее воздействие на пласт. Допускается обработка призабойной зоны пластов с близко расположенным водонефтяным контактом и обработка призабойной зоны старого фонда скважин. В газовых скважинах - возможность работы под давление, без глушения скважины.
Таким образом, предлагаемое техническое решение полностью реализует поставленную техническую задачу.