СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, ДОБЫВАЕМЫХ ЧЕРЕЗ СКВАЖИНЫ
METHOD OF DEVELOPMENT OF MINERAL DEPOSITS EXTRACTED THROUGH WELLS

Изобретение относится к способам разработки месторождений полезных ископаемых, добываемых через скважины, а именно: залежей углеводородов - нефти, битумов, газа и газоконденсата, газгидратов, металлов, например урана, меди, золота, а также солей, и предназначается для использования на всех стадиях разработки, включая конечную стадию. Обеспечивает успешность применения в осложненных условиях разработки.
Известны способы разработки нефтяной залежи (патент РФ №2230890, кл. Е21В 43/16, патент РФ №2206725 кл. Е21В 43/20) с определением направления доминирующей трещиноватости коллектора по возбуждению сейсмической волны от источников возбуждения и с определением соотношений интенсивности различных типов волн и коэффициентов анизотропии пород, определением границ участков залежей с определенной трещиноватостью и размещением добывающих горизонтальных скважин внутри данных границ, а рядов нагнетательных вне них. Данные способы предполагают проведение на ранних стадиях разработки большого объема сейсмических исследований и буровых работ. Способы позволяют производить выбор местоположения бурения скважин на начальных стадиях, но не дают надежной информации для осуществления разработки на поздних и конечных стадиях в условиях сильной истощенности и обводненности залежей. В ходе разработки, когда состояние геологической пластовой и окружающих сред постоянно меняется, эффективность первоначально выполненных мероприятий существенно падает и для эффективной эксплуатации требуется проведение дополнительных затратных исследовательских и буровых работ. Кроме того, использование изобретения ограничено определенными структурными особенностями построения залежи. Отсутствуют мероприятия по воздействию на геологическую среду и насыщающие флюиды для повышения эффективности разработки.
Известен способ разработки нефтяного месторождения (патент РФ №2291955, кл. Е21В 43/16), включающий предварительные геофизические исследования структуры пластов с установлением распределения трещиноватости по продуктивным пластам, определение в ходе разработки, по совокупности изменения пластовой сейсмоакустической эмиссии и показателей разработки, слабодренируемых, застойных и промытых зон и проведение воздействия на них с изменением направления фильтрационных потоков и инициированием дополнительного трещинообразования.
Данный способ позволяет повысить текущую и конечную нефтеотдачу и увеличить добычу нефти, но степень увеличения текущей добычи недостаточна, в особенности в осложненных условиях разработки при слабой гидродинамической связи скважин с пластами, при разработке трудноизвлекаемых, высоковязких нефтей, битумов, газгидратов.
Известны способы добычи солей из соляных скважин, включающие бурение двух или более скважин, их обсадку, оборудование рабочими трубами, подачу в залежь жидких растворителя и нерастворителя, откачку жидких рассолов, образование подготовительных выработок, размыв камеры (а.с. СССР №1488466, кл. Е21В 43/28 и патент РФ №2236577, кл. Е21В 43/28). Недостатками этих способов является отсутствие возможностей управления процессом подземного растворения соляных залежей, быстрое падение эффективности добычи из пробуренных скважин, т.к. камеры растворения постоянно увеличиваются в объеме.
Известны способы подземного выщелачивания полезных ископаемых, например урана, из продуктивных горизонтов. По патенту США №3309140, кл.299-4 закачные скважины располагают лучами вокруг откачной скважины, а по а.с. СССР №1530763, кл. Е21В 43/28 производят бурение из вертикальной выработки на двух уровнях вееров радиально-направленных скважин, подачу выщелачивающего раствора в скважины одного веера и откачку продуктов из скважин другого веера. Недостатком способов является недостаточный охват продуктивного горизонта выщелачивающим агентом. Для уменьшения возможности опережающего продвижения выщелачивающего раствора за счет разницы плотностей выщелачивающего раствора и пластовой жидкости в патенте РФ №2162148, кл. Е21В 43/28 предлагается при плотности выщелачивающего раствора, превышающего плотность пластовых вод, забойные участки нагнетательных скважин размещать у подошвы продуктивного горизонта, а забойные участки откачных скважин - у кровли продуктивного пласта. При плотности пластовых вод, превышающей плотность выщелачивающего раствора, забойные участки нагнетательных скважин размещают у кровли продуктивного горизонта, а забойные участки откачных скважин размещают у подошвы продуктивного пласта. Однако и в этом случае коэффициент извлечения полезного ископаемого недостаточно высок и по времени существенно снижается.
Источники информации, имеющие то же назначение, что и заявляемое изобретение, которые могли бы быть приняты в качестве ближайшего аналога, нами не выявлены.
Следует особо отметить, что при осуществлении подземной добычи солей и металлов какие-либо мероприятия, связанные с воздействием на флюидонасыщенную геологическую среду, с изменением в ней полей трещиноватости и флюидонасыщенности на практике невозможны без тщательных предварительных исследований и текущего постоянного контроля данных изменений, так как существует опасность сильного экологического поражения окружающей среды при попадании высокотоксичного металла, продуктов выщелачивания или солей в водоносные горизонты.
Задачей изобретения является повышение эффективности разработки месторождений полезных ископаемых, добываемых через скважины, с увеличением текущей добычи продукции путем непрерывного получения из околоскважинной среды информации, связанной прямо или косвенно с естественной или организуемой в результате осуществляемого целевого воздействия трещиноватостью, и использования данной информации для организации эффективного флюидообмена между скважинами и пластами, в режимах отбора продукции и закачки жидких агентов.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ разработки месторождений полезных ископаемых, добываемых через скважины, включающий регистрацию сейсмоакустической эмиссии с определением распределения трещиноватости в горной среде, волновое воздействие на подземные залежи и инициирование дополнительной трещиноватости, характеризующийся тем, что волновое воздействие осуществляют, по крайней мере, из одной скважины, при этом определяют пространственное расположение вершин образующихся трещин по продуктивной среде залежи и по полученным данным устанавливают параметры эксплуатации воздействующей скважины и корректируют параметры эксплуатации окружающих скважин и/или меняют их назначение и/или бурят новые скважины.
В качестве параметров эксплуатации воздействующей скважины целесообразно устанавливать и корректировать расходно-напорные параметры закачки и откачки флюидов через скважины. Применительно к углеводородным пластам в качестве параметров эксплуатации для добывающих скважин целесообразно устанавливать и корректировать дебит или забойное давление, в качестве параметров эксплуатации нагнетательных скважин целесообразно устанавливать и корректировать приемистость или давление закачки закачиваемого агента.
При реализации способа при волновом воздействии и инициировании трещинообразования пространственное расположение вершин образующихся трещин оптимально определять по регистрации и анализу естественной и/или наведенной сейсмоакустической эмиссии, по функции взаимной корреляции волновых процессов продольных, поперечных волн и временам их запаздывания, скоростям распространения продольных и поперечных волн в горных породах и по колонне НКТ воздействующей скважины, и по глубине ее забоя. При этом доминирующее азимутальное направление развития трещиноватости можно выделять из шести вариантов диагностирования его возможного направления от скважины. Целесообразно дополнительно диагностировать степень пространственного развития дезъюктивных процессов вокруг скважины по определению коэффициента поглощения энергии упругих волн в горной среде.
При реализации способа и определении распределения трещиноватости по продуктивной среде целесообразно по совокупному фрактальному, спектральному, Вейвлет анализу сигналов сейсмоакустической эмиссии из точек данной среды, дополнительно оценивать пьезопроводность и флюидонасыщенность по продуктивной среде вокруг скважин.
Во время осуществления способа волновое воздействие на подземные залежи из скважины оптимально, с точки зрения достижения максимальной глубины и эффективности при минимальных энергетических затратах, и технически целесообразно осуществлять с возбуждением в среде залежи упругих колебаний и/или импульсов при помощи скважинных гидродинамических, гидроимпульсных, ударных, электроискровых, электродинамических и механических источников.
При этом одновременно или попеременно с волновым воздействием и инициированием трещинообразования возможно осуществлять закачку в залежь химических реагентов и/или теплоносителей.
Применительно к месторождениям солей или металлов целесообразно одновременно или попеременно с волновым воздействием осуществлять подземное вымывание или выщелачивание полезных ископаемых из залежи.
С точки зрения достижения максимальной эффективности способа оптимально в воздействующей скважине одновременно с волновым воздействием при инициировании трещинообразования проводить закачку жидкости разрыва и осуществлять гидроразрыв пласта, причем для оптимального выбора объектов для воздействия гидроразрыв пласта следует проводить с учетом аномалий напряженного состояния пород, особенностей геологического строения пластов, имеющейся трещиноватости, взаимосвязи и взаимовлияния окружающих скважин на воздействующую скважину.
В определенных условиях залегания полезных ископаемых в залежи гидроразрыв пласта оптимально осуществлять трещиной, преимущественно горизонтального распространения по пласту.
Азимутальное направление трещиноватости при гидроразрыве пласта возможно задавать зарезкой горизонтальных стволов.
Для достижения наибольшего охвата процессом трещинообразования в определенных геолого-физических условиях целесообразно в воздействующей скважине закачкой нефтекислотной эмульсии через гидродинамический генератор осуществлять вибрационный кислотный разрыв пласта.
Одновременно или попеременно с волновым воздействием на пласты из скважин возможно волновое воздействие с поверхности залежи с возбуждением в пластовой среде волн упругих колебаний и/или импульсов вибросейсмическими и/или электромагнитными источниками.
Целесообразно осуществлять волновое воздействие на метастабильные зоны аномального напряженно-деформационного состояния и трещиноватости горной среды пласта, а для снижения энергетических затрат волновое воздействие оптимально осуществлять на периферию этих зон.
Для расширения сети образующихся трещин возможно после гидроразрыва пласта осуществлять волновое воздействие на область расположения вершин образующихся трещин, преимущественно в метастабильных зонах аномального напряженно-деформационного состояния и трещиноватости горной среды.
При необходимости целесообразно в воздействующих скважинах предварительно проводить комплекс мероприятий по очистке ствола скважины, перфорационных отверстий и ПЗП от естественных или техногенных загрязнений, например виброволновые обработки в сочетании с циклами депрессии, репрессии на пласт и закачками реагентов.
Предлагаемый способ не вытекает из существующего уровня техники, и его существенные признаки отличаются от существенных признаков известных способов разработки месторождений полезных ископаемых, добываемых через скважины, в том числе и углеводородов.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
Согласно изобретению в оптимальном варианте в воздействующих скважинах одновременно с волновым воздействием с созданием в пластовой среде упругих колебаний и/или импульсов при инициировании дополнительного трещинообразования выполняют закачку жидкости разрыва и осуществляют вибрационный гидроразрыв пласта. Под воздействием упругих колебаний происходит предварительная «подготовка» среды - ее очистка, увеличение объема «зародышей» трещин и ослабление связей структурных компонентов среды в призабойной зоне пласта (ПЗП) вокруг скважины. В результате образуется более разветвленная по объему и глубине система трещин в ПЗП, например, в углеводородных карбонатных коллекторах и других относительно неглубокозалегающих продуктивных залежах полезных ископаемых пластового типа, где в процессе гидроразрыва возможно организовать преимущественно горизонтальную ориентацию образующихся трещин. Подобная система трещин наиболее благоприятна для разработки пластовых залежей полезных ископаемых и обеспечивает новое качество притока флюидов к скважинам, без внесения неустранимых нежелательных возмущений в пластовые фильтрационные поля. Данная система трещин также максимально экологически безопасна при разработке залежей металлов и солей.
По регистрации сейсмоакустической эмиссии до воздействия и одновременно в ходе его определяют пространственное расположение вершин образующихся трещин, также возможно по коэффициенту поглощения упругих волн в ПЗП дополнительно оценивать степень разветвленности образующихся трещин. Также в оптимальном варианте по специальному анализу САЭ можно оценивать пьезопроводность и флюидонасыщенность среды вокруг скважины.
Обработка полученных данных по специальным методикам и компьютерным программам, имеющимся у авторов изобретения, позволяет организовать с использованием воздействующих скважин качественно новый процесс разработки месторождений полезных ископаемых, добываемых через скважины, с установлением и корректировкой параметров эксплуатации воздействующих скважин и окружающих скважин, например для месторождений нефти - дебита, приемистости или забойного давления и давлений закачки, с изменением также их назначения, при необходимости с бурением новых скважин. Данный новый процесс, оптимизирующий систему образующихся в ПЗП трещин, характеризуется максимально достижимой текущей и итоговой добычей продукции из существующей системы скважин.
Способ осуществляют следующим образом.
По месторождению полезных ископаемых или выбранному отдельному участку проводят подготовительные работы по выбранным для осуществления воздействия скважинам. При необходимости для выбора скважин проводят изучение имеющейся по залежи информации по особенностям и аномалиям геологического строения залежи, распределения полей трещиноватости, флюидонасыщенности, проводят каротажные исследовательские работы, изучение кернов. В выбранных скважинах возможно выполнение комплекса мероприятий по очистке ствола скважины, перфорационных отверстий и ПЗП от естественных или техногенных загрязнений, например виброволновые обработки в сочетании с циклами депрессии, репрессии на пласт и закачками реагентов. Обустраивают выбранные скважины для осуществления способа. Осуществляют монтаж системы геофонов и акустического скважинного датчика, подготовку и спуск на забой скважины подземного оборудования для физического воздействия на пласт - забойные гидродинамические или газодинамические генераторы упругих колебаний, электродинамические или искровые импульсные генераторы или другие генерирующие устройства физического воздействия. Обвязывают НКТ с устьевыми насосными агрегатами. При необходимости на выбранных пунктах поверхности размещают передвижные вибросейсмические платформы, вибромолоты, передающие сейсмическую энергию через заглубленные под рыхлые грунты анкерные скважины, МГД-генераторы электромагнитных импульсов или другие источники возбуждения физических излучений. Проводят опытные работы по настройке оптимальных условий приема и регистрации сейсмоакустической эмиссии, фильтрации и усиления при регистрации и записи на компьютер.
Осуществляют волновое воздействие с инициированием трещиноватости через выбранные скважины. При инициировании трещиноватости в пласте одновременно с волновым воздействием при необходимости проводят закачку в пласт под давлением различных агентов, жидкостей, газов, теплоносителей и т.д. Возможно поднятие давления закачки выше давления гидроразрыва пласта. Одновременно или попеременно с волновым воздействием осуществляют запись и программную компьютерную обработку поступающих с геофонов и датчика акустических сигналов.
Пространственное расположение образующихся трещин одновременно с волновым воздействием определяют с использованием трехкомпонентных акустических геофонов, расположенных на поверхности в четырех точках вокруг устья воздействующей скважины и акустического датчика, устанавливаемого в верхней части трубы НКТ. С использованием данной системы датчиков определяют по скорости распространения продольных - Р и поперечных - S волн по колонне НКТ, глубине забоя и разности времени распространения данных волн по колонне НКТ и по горным породам скорости распространения Р и S волн. Определяют также времена запаздывания волны S по отношению к волне Р по функции взаимной корреляции между волновыми процессами, регистрируемыми компонентами геофонов в одной и той же точке, и определяют времена пробегов Р - волн от «очага» эмиссии - вершины образующейся трещины до каждого из четырех датчиков. Далее положение в пространстве очага эмиссии - вершины образующейся трещины - оценивают способом засечек из трех точек - координат установки геофонов.
В ходе реализации изобретения все измеряемые данные с геофонов и датчиков непрерывно поступают на переносной компьютер, записываются в виде временных рядов сигналов и обрабатываются с записью результатов. Лучевая технологическая схема к предлагаемому способу приведена на фиг.1.
В результате совокупного фрактального, спектрального и Вейвлет анализа акустических сигналов, записываемых с геофонов и датчика колонны НКТ по методике авторов изобретения оцениваются также пьезопроводность или пьезопроводность и флюидонасыщенность по пласту вокруг скважины.
Все данные, получаемые по воздействующим скважинам, поступают на общий компьютер, и проводится дальнейшая обработка по специальным программам с получением требуемых параметров эксплуатации воздействующих скважин и окружающих скважин, а также целевых рекомендаций смены назначения или координат дополнительного бурения.
Осуществляют процесс разработки с технической реализацией необходимых мероприятий согласно полученным данным.
Примеры осуществления способа.
Приводим пример осуществления способа на участке месторождения с трудноизвлекаемыми запасами углеводородов.
Способ осуществлялся на одном из участков месторождения среднего карбона Урало-Поволжья, имеющего следующие средние характеристики: проницаемость - 45 мкм, пористость - 0,13, пластовое давление- 8,5 МПа, плотность нефти - 0,885 т/м, вязкость нефти - 11,8 мПа·с, вязкость воды - 0,5 мПа·с, давление насыщения - 5,85 МПа, начальная нефтенасыщенность - 0,85, содержание связанной воды - 0,18.
х
На основе построенной геолого-математической модели и последующей ее адаптации с использованием базы данных геологического строения участка, а также работы добывающих и нагнетательных скважин с начала разработки, оценивалось текущее на 12.2004 г. исходное (до применения способа) поле нефтенасыщенности (рис.2), в соответствии с которым для волнового воздействия с инициированием дополнительной трещиноватости с повышением забойного давления и осуществлением гидроразрыва в мало выработанной зоне выбрана добывающая наклонная скважина 4754. При реализации способа в скважине осуществляли комплекс мероприятий по очистке ПЗП и инициированию трещинообразования с применением гидродинамических генераторов ГДВ2В-20, ГДВ2В-30 и струйных насосов комплекса "СТРЭНТЭР" НПП "Ойл-Инжиниринг". Вокруг скважины в четырех точках поверхности, в углах квадрата со сторонами 500 м и центром-устьем скважины, установлены четыре 3-компонентных геофонов. Акустический датчик измерительного комплекса ВШВ-003-М3 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) Е-330 установлен на верхней части НКТ. Для цифровой записи сигналов применялись персональные компьютеры. В январе 2005 г. в скважине одновременно с волновым воздействием произвели гидроразрыв пласта для создания протяженной трещины с закачкой 18,2 тонн проппанта. Мониторинг процесса по контролю изменения сейсмоакустической эмиссии (САЭ) показал северо-западную ориентацию трещины длиной порядка 90 м в продуктивной части (фиг.3). Последующими гидродинамическими исследованиями скважины длина трещины уточнена и составила 87 м.
В результате программного анализа исходных данных и полученной в ходе реализации способа информации по САЭ с целью реализации максимальной потенциально возможной добычи нефти с учетом созданной дополнительной трещиноватости в скв. 4754, установлен режим работы скв. 4754, характеризующийся дебитом нефти в 160-170 т/сут, для окружающих добывающих скважин 4752ГО и 4753ГО - соответственно в 15-20 т/сут и 12-15 т/сут, одновременно осуществлен перевод под нагнетание скв. 4838 с приемистостью 60-80 куб.м/сут.
В табл.1 по скв. 4754 и по расположенным вокруг нее скважинам приведены фактические объемы добычи нефти и жидкости за период с 01.01.2005 г. по 31.12.2005 г. и прогнозные по базовому варианту (без создания трещины в скв. 4754). В базовом варианте показатели работы скважин рассчитаны на геолого-математической модели в предположении неизменности исходных условий.
Таблица 1
№№ добывающих скважин
Добыча по базовому варианту за период 01.05 г.-12.05 г.
Фактическая добыча за период 01.05 г.-12.05 г.
нефти
жидкости
нефти
жидкости
4752ГО
1145
1350
2710
3231
4753ГО
864
980
2070
2340
4754
13604
14902
28955
32519
4755
344
380
344
380
4762
436
1969
434
1969
4763
492
897
485
897
4764
803
2666
772
2666
4838
23
41
перевод под нагнетание
4839
108
397
108
411
4840
91
211
94
210
Итого
17910
23793
35972
44313
Дополнительная добыча нефти за период с 01.01.05 г. по 31.12.05 г. составила 20590 тонн. При этом обводненность снизилась с 24,7 до 18,8. Наглядное представление и физическую картину интенсификации притока нефти к созданной трещине в скв. 4754 дают распределения линий тока в базовом варианте (фиг.2) и с трещиной и с переводом под нагнетание скв. 4838 (фиг.3), полученные на геолого-математической модели. При этом заметно, что на концевых участках трещины приток на единицу ее длины возрастает.
Приводим пример осуществления способа на участке месторождения урана.
3
8
Способ осуществлялся на одном из участков месторождения пластового типа, представленного россыпями UO в песчаниковых пластах, залегающих на глубинах до 700 м. Процентное содержание урана в продуктивной породе изменяется от 0.04 до 0.103%. Добыча урана осуществляется скважинным подземным выщелачиванием. В закачные скважины вводят растворы кислот, а из откачных скважин извлекается продукция выщелачивания, которая поступает на ионообменные установки для дальнейшей переработки. На фиг.4 показана схема расположения скважин на выбранном для осуществления способа участке месторождения урана пластового типа.
х
На забое закачной скважины 14г на насосных трубах был установлен гидродинамический генератор ГДВ2В-20 НПП "Ойл-Инжиниринг" комплекса "СТРЭНТЭР". Вокруг скважины в четырех точках поверхности, в углах квадрата со сторонами 200 м и центром-устьем скважины 14г, установлены четыре 3-компонентных геофонов. Акустический датчик измерительного комплекса ВШВ-003-М3 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) Е-330 установлен на верхней части НКТ. Для цифровой записи сигналов применялись персональные компьютеры. Далее в скважине произведен динамический кислотный гидроразрыв пласта для создания наклонной трещины преимущественно горизонтального распространения по рудному пласту. Мониторинг процесса по контролю сейсмоакустической эмиссии показал ориентацию трещины длиной порядка 28 м в продуктивной части по направлению к откачным скважинам 125 и 122 (направления преимущественного развития клювов трещины показано стрелками на фиг.4).
3
3
3
3
3
С целью реализации максимальной потенциально возможной добычи урановой руды с учетом созданной гидроразрывом трещины в закачной скв. 14г реализовано следующее изменение режимов работы окружающих скважин. В скв. 14г закачка технологического раствора увеличилась с 16 м/сут до 32 м/сут. При давлении нагнетания 5,0 мПа в скв. 14г, 17а, 10г и 10а на насосных трубах были установлены гидродинамические генераторы ГД2В-6ВШ комплекса «СТРЭНТЕР», предназначенные для постоянной работы при закачке технологической жидкости. С помощью данных генераторов осуществлялось непрерывное волновое воздействие упругими колебаниями на продуктивную породу в процессе ее выщелачивания. В откачной скважине 125 в течение трех месяцев осуществлялось увеличение отбора жидкости из пласта с 12 м/сут до 21 м/сут. Затем скважина переведена под нагнетание раствора технологических кислот с режимом 23 м/сут.
3
8
3
8
В результате проведенных мероприятий фактическая добыча UO сравнивалась с прогнозной по выделенной группе скважин. В результате сравнения получена дополнительная добыча 197 метрических тонн UO.
Использование предлагаемого изобретения позволяет существенно повысить эффективность разработки углеводородов и других полезных ископаемых, добываемых через скважины, за счет организации эффективного флюидообмена между скважинами и пластами с волновым воздействием на пластовую горную среду и оптимальным использованием системы трещин, образующихся при инициировании трещинообразования, а также за счет оптимизации режимов волнового воздействия, снижения энергетических затрат.