Способ импульсной обработки продуктивного пласта при добыче углеводородного сырья и система управления, его осуществляющая
METHOD OF IMPULSE TREATMENT OF PRODUCTIVE FORMATION AT EXTRACTION OF HYDROCARBON RAW MATERIAL AND CONTROL SYSTEM, WHICH CARRIES OUT

Группа изобретений относится к технологии совершенствования добычи углеводородного сырья. Запасы легко добываемых углеводородов подходят к исчерпанию. Значительная часть эксплуатационного фонда нефтяных скважин на месторождениях большинства стран находится на стадии завершающей разработки, растет доля месторождений с трудноизвлекаемыми запасами. По этой Причине резко актуализируется создание и развитие эффективных методов увеличения отдачи продуктивных пластов.
К числу самых эффективных взрывных технологий относится дилатансионная технология разуплотнения пород (ДТРП), которая успешно решает проблему интенсификации дебита добывающих скважин и увеличения приемистости нагнетательных скважин. Дилатансия - это изменение не только формы, но и объема при сдвиговом нагружении твердых сред, особенно имеющих зернистое строение. Технология обеспечивает создание объемной сети микротрещин и пор в продуктивном пласте для форсирования притока флюида к забою скважины. Дилатансионное разуплотнение пород, характеризуется образованием и подрастанием макро- и микродефектов их структуры за счет увеличения площадок скольжения и разрыва с ненулевым раскрытием, которое является искусственной пористостью породы (Михалюк А.В. Дилатансия и ее влияние на свойства горных пород при допредельных динамических нагрузках. Киев: ВИПОЛ, 2001, 102 с.).
Следует отметить, что при ударно-взрывном воздействие на продуктивный пласт, помимо дилатансионного эффекта, наблюдается, при распространении ударной волны по пласту, эффект возникновения затухающих колебаний. Эти колебания - это релаксационные колебательные движения геоблоков на доминантных частотах внутри пласта (Определяющие законы механики грунтов. / Под. ред. В.Н. Николаевского. М.: Мир, 1975, 208 с.). При возникновении резонансных явлений внутри продуктивного пласта развивается процесс раскрытия поровых образований, закупоренных различными кальмотантами, попавшими в пласт в процессе освоения скважины и добычи (процесс декольматации), что также способствует увеличению притока флюида.
Известно техническое решение (Михалюк А.В., Мухин Е.А., Михалюк С.А., Захаров В.В. Дилатансионные технологии торпедирования скважин для интенсификации добычи подземных флюидов. - Киев: ВИПОЛ, 1999, 66 с.), заключающееся в дилатансионном торпедировании скважин торпедами с размещенными в них зарядами бризантного взрывчатого вещества общей массой порядка 10 кг. Торпеды в единичном количестве (обычно пара торпед) спускают в скважину до уровня продуктивного пласта и осуществляют поочередный подрыв с интервалом замедления, формируя тем самым сдвоенное ударное воздействие на продуктивный пласт. Вследствие этого внутри него возникает неравномерное нагруженное состояние, результатом которого является дилатансионное разуплотнение породы пласта. В ряде случаев этот метод хорошо зарекомендовал себя практически. Его основным достоинством является возможность создания импульса давления, заведомо превышающего по мощности критически необходимый (пороговый) уровень для обеспечения дилатансионного разуплотнения. Однако у него есть недостатки. Метод базируется на априорных расчетах параметров воздействия, корректность которых невозможно проверить до проведения работ, которые осуществляются при достаточно затратных подготовительно-заключительных работах и, соответственно, корректировка при неудовлетворительном результате проблематична. Кроме того, использование взрывчатых веществ в рабочем процессе несет риски разрушения в скважйнном пространстве и опасности субъективного характера.
Известен способ интенсификации добычи нефти, при котором осуществляют возбуждение ударной волны в жидкости призабойной зоны скважины импульсными разрядами электроразрядного устройства, введенного через обсадную трубу в призабойную зону, и направляют генерированную ударную волну через жидкость призабойной зоны из скважины в продуктивный нефтегазоносный пласт, причем возбуждение ударной волны осуществляют с внешней стороны обсадной трубы, а электроразрядное устройство выводят за пределы обсадной трубы через отверстие, выполненное в обсадной трубе (патент РФ №2199659, МПК Е21В 43/25, опубл. 27.02.2003 г.).
Недостатком способа является сложность в эксплуатации, связанная с подготовкой обсадной трубы в скважине в призабойной зоне и установкой в затрубье обсадной трубы электроразрядного устройства, а также ограниченность зоны воздействия.
Известен способ ударного воздействия на призабойную зону, при котором в межэлектродное пространство устанавливают электроды, затем на электроды подают импульс высокого напряжения, формируя между ними электрическую дугу и производя, таким образом, пробой межэлектродного промежутка и получение плазменного канала между электродами с образованием электрических разрядов в жидкой среде скважины, причем межэлектродное пространство ионизируют, а пробой межэлектродного пространства производят повторяющимися по сигналам пьезодатчиков импульсами высокого напряжения, энергию пробоя межэлектродного промежутка используют для восстановления разрушенного разрядом ионизированного слоя, а подача импульсов производится в такт с колебательным процессом, возникающим в скважине (патент РФ №2663770, МПК Е21В 43/25, опубл. 09.08.2018 г.).
Недостатком способа является сложность регулировки частоты следования высоковольтных импульсов, так как эта частота задается колебательной системой, включающей в себя конструктив подвижного электрода и скважинное пространство, где доминирующую роль играет этот конструктив без элементов настройки.
Известен способ воздействия на призабойную зону скважины и нефтенасыщенные пласты, при котором в гидросреде в полости скважины посредством устройства, содержащего накопительный конденсатор, электроды, замкнутые металлическим проводником с заданным сечением, создают электрогидравлический импульс давления путем подачи на электроды импульса высокого напряжения через промежутки времени от 20 до 70 секунд, обеспечивая взрыв проводника. Также обеспечивают перемещение источника импульса на расстояние от 300 до 1000 миллиметров (патент РФ №2373386, МПК Е21В 43/25, опубл. 20.11.2009 г.).
Недостатком способа является сложность регулирования длительности импульса давления, а значит и энергетического спектрального состава волны давления, воздействующей на пласт. При заявленной скважности данный импульс является одиночным, соответственно его основной энергетический спектральный состав содержит практически сплошной спектр частот от 0 до 1/т (τ - длительность импульса, то есть, например, при τ=50 мкс диапазон частот от 0 до 20 кГц) с более высоким уровнем энергии в области низких частот. Данный спектральный состав обеспечивает, с одной стороны, высокую вероятность резонансного совпадения с доминатными частотами колебания геоблоков внутри пласта, а с другой - при широкополосном распределении энергии, значительная ее часть затухает без последствий.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа импульсной обработки продуктивного пласта при добыче углеводородного сырья и системы управления, его осуществляющей, с, использованием управляемого электрогидравлического воздействия при разработке молодебитных месторождений и месторождений с трудноизвлекаемыми запасами при эксплуатации нагнетательных скважин.
Техническим результатом изобретения является повышении эффективности добычи углеводородного сырья за счет делатансионного разуплотнения горных пород и декольматации продуктивных пластов.
Указанный технический результат достигается способом импульсной обработки продуктивного пласта при добыче углеводородного сырья, при котором в стволе скважины на уровне продуктивного пласта периодически формируют возмущающие сдвоенные электрогидравлические импульсы давления с временной задержкой между этими импульсами. Величину задержки определяют априорно по известной модели, а частоту следования пар импульсов и их количество задают исходя из оптимальных доминантных частот колебаний геоблоков, определяемых на основании известных знаний и/или эмпирических данных. После завершения процесса обработки определяют ее эффективность в Процессе апробации по уровню притока флюида и/или его градиенту, составу скважинного флюида, и при необходимости повторяют процесс, изменяя параметры возмущающих импульсов давления до достижения оптимального результата.
Согласно изобретению можно использовать электрогидравлические импульсы давления с цилиндрической формой ударной волны и высоким быстродействием формирования импульсов.
Согласно изобретению, обработку продуктивного пласта можно осуществлять для добывающих и нагнетательных скважин.
Согласно изобретению, обработку продуктивного пласта можно осуществлять непосредственно в процессе добычи углеводородного сырья или автономно, вне процесса добычи.
Согласно изобретению можно управлять энергетическим спектральным составом возмущающих импульсов, путем изменения ширины импульсов, временной задержки между сдвоенными импульсами и периода следования пар импульсов.
Согласно изобретению, для обеспечения предотвращения рассеивания энергии электрогидравлического воздействия вдоль ствола скважины скважинную зону продуктивного пласта можно экранировать в этой зоне.
Поставленная задача решается системой управления импульсной обработкой Продуктивного пласта при добыче углеводородного сырья, состоящей из скважинной и наземной части. В состав скважинной части включены два отдельных блока электрогидравлического воздействия, соединенные с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с первым входом экранирующего пакера, второй вход которого соединен с выходом блока электропитания, первым входом блока связи скважинного и первым входом блока управления, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом блока связи скважинного. Третий вход-выход блока связи скважинного подключен к устройству управления дилатансионной технологией разуплотнения пластов, размещенному в наземной части.
Согласно изобретению, в качестве канала связи между скважинной и наземной частью можно использовать как специально организованный канал, так и имеющиеся в составе технологической скважинной аппаратуры.
Согласно изобретению, для расширения зоны обработки пласта блоки электрогидравлического воздействия могут иметь секционную конструкцию, распределенную по вертикали.
Согласно изобретению, в качестве первичного источника электрической энергии для блока электропитания может служить статорная обмотка погружного электродвигателя из состава установки электропогружного насоса или автономный электрохимический или электромеханический источник электроэнергии или дистанционное электропитание.
Суть способа и его реализация базируется на теоретических положениях, обосновывающих релаксационные эффекты в динамике горных пород. Согласно этим положениям при ударном воздействии на продуктивный пласт возникает волна давления, движущаяся вдоль пласта, которая формирует волну напряжений в этом пласте. Эта волна, помимо создания неравномерно нагруженного состояния элементов пласта, также вызывает релаксационные колебательные движения геоблоков на доминантных частотах внутри пласта (Определяющие законы механики грунтов. / Под. ред. В.Н. Николаевского. М.: Мир, 1975, 208 с.). Это способствует дилатансии продуктивного пласта и его декольматации. Соответственно, параметры возмущающего воздействия должны обеспечивать должный эффект, т.е. амплитуда и энергия ударного воздействия должны быть выше критического значения, а его временные параметры обеспечивают формирование мод давления на оптимальных Доминантных частотах колебаний пласта. Также установлено, что при исследовании поведения горных пород при динамических механических нагрузках начало деформации сдвига элементов породы отстает от прикладываемого напряжения на несколько миллисекунд (фазовый сдвиг между фронтами напряжения и деформации). Фазовый сдвиг может быть интерпретирован как необходимое время перехода элементов породы из статического состояния в динамическое (А.В. Михалюк, В.В. Захаров. Релаксационные эффекты в динамике грунтов и горных пород // Прикладная механика и техническая физика, 2000, Т. 41, №3, с. 202-212).
Заявляемый способ предполагает использование эффекта электрогидравлического воздействия для создания возмущающих волны в продуктивном пласте. Достоинством этого вида воздействия является высокая удельная энергоэффективность при достаточно высоком быстродействии формирования импульсов, особенно при цилиндрической форме ударной волны.
Способ осуществляют следующим образом. В стволе скважины на уровне продуктивного пласта периодически формируют возмущающие сдвоенные импульсы давления электрогидравлического характера. Первоначально, временная задержка между этими импульсами является параметром, определяемым априорно по известной модели с учетом фазового сдвига между фронтами напряжения и деформации в породе, например (А.В. Михалюк, В.В. Захаров. Релаксационные эффекты в динамике грунтов и горных пород // Прикладная механика и техническая физика, 2000, Т. 41, №3, с. 202-212), а частота следования пар импульсов и их количество задается, исходя из представлений об оптимальных доминантных частотах колебаний геоблоков, определяемых на основании априорных знаний и/или эмпирических опытов (Определяющие законы механики грунтов. / Под. ред. В.Н. Николаевского. М.: Мир, 1975, 208 с.). Если фронт деформации в данной области пласта совпадет с фронтом второго импульса давления, следующего за первым импульсом давления (через время равное фазовому сдвигу - сдвоенный импульс), то возникает положительная интерференция действия обоих импульсов за счет того, что энергия второго импульса прикладывается к элементам пласта, уже находящимся в динамике. В результате этой интерференции импульсов давления достигается максимальная деформация в условиях данной деформационной податливости грунта и энергии импульсов давления.
После завершения первого этапа обработки определяют ее эффективность в процессе апробации по уровню притока и/или его градиенту, составу скважинного флюида. При необходимости повторяют процесс обработки, изменяя параметры воздействий до достижения оптимального результата. Критерием оптимального результата является максимум притока скважинного флюида и улучшение его состава.
Для обеспечения предотвращения рассеивания энергии ударного воздействия вдоль ствола скважины скважинную зону продуктивного пласта экранируют в этой зоне.
Спектральный континиум энергии предлагаемого воздействия определяется шириной импульсов, временной задержкой между сдвоенными импульсами и периодом следования пар импульсов, что позволят гибко управлять энергетическим спектральным составом возмущающего воздействия.
Предлагаемый способ может быть реализован непосредственно в процессе добычи углеводородного сырья или автономно, вне техпроцесса Добычи.
Способ импульсной обработки продуктивного пласта при добыче углеводородного сырья и система управления, его осуществляющая иллюстрируются чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 представлен пример компоновочной схемы оборудования, обеспечивающего откачку скважинного флюида посредством установки электропогружного насоса (УЭПН), включающий в себя элементы системы управления импульсной обработкой продуктивного пласта (СУОП). На фиг. 2 показана структурная схема СУОП. На фиг. 3 представлен пример структурной схемы устройства управления дилатансионной технологией разуплотнения пласта.
На фиг. 1 изображены: 1 и 2 - формирователи электрогидравлического воздействия (ФЭВ); 3 - экранирующий пакер (ЭП); 4 - геофизический кабель (ГК); 5 - скважинный аппаратный отсек (САО); 6 - погружная часть телеметрической системы (ТМС); 7 - обсадная труба; 8 - УЭПН; 9 - силовой кабель (СК); 10 - насосно-компрессорные трубы (НКТ); 11 - станция управления УЭПН (СУ УЭПН) и 12 - устройство управления дилатансионной технологией разуплотнения пластов (УУ ДТРП).
На фиг. 2 изображены: 1 - ФЭВ1 и 2 - ФЭВ2; 3 - ЭП; 12 - УУ ДТРП; 13 -блок управления (БУ); 14 - блок электропитания (БЭП) и 15 - блок связи скважинный (БСС). СУОП состоит из скважинной и наземной части. Включает, в составе скважинной части, два отдельных блока ФЭВ 1 и ФЭВ 2, соединенные с первым выходом БУ 13, второй выход которого соединен с первым входом ЭП 3, второй вход которого соединен с выходом блока БЭП 14, Первым входом блока БСС 15 и первым входом БУ 13. Второй вход-выход БУ 13 соединен со вторым входом-выходом блока БСС 15, третий вход-выход которого подключен к УУ ДТРП 12, размещенному в наземной части.
На фиг. 3 показаны: 16 - пульт оператора (ПО); 17 - процессорный блок (ПБ); 18 - блок связи наземной (БСН) и 19 - блок измерительный (БИ). Здесь БСН 18 имеет три входа-выхода, первый - для соединения по каналу связи с САО 5, второй - для подключения к системе управления верхнего уровня, третий для взаимодействия с блоком ПБ 17 через его первый вход-выход. Второй вход-выход блока ПБ 17 используют для подключения пульта оператора, а его третий вход соединен с выходом блока БИ 19.
Согласно фиг. 1 СУОП агрегатируется следующим образом. В наземной части к СУ УЭПН подключается УУ ДТРП. В состав скважинной компоновки, помимо основного технологического оборудования (НКТ, СК, УЭПН, ТМС), включается герметичный отсек САО в котором размещаются отдельные скважинные блоки СУОП. К САО на ГК или штанге подвешиваются ЭП и ФЭВ 1, 2 в зоне продуктивного пласта.
Способ импульсной обработки продуктивного пласта с использованием СУОП осуществляют следующим образом. Работа СУОП инициируется по команде от системы управления верхнего уровня. Эта команда может быть сформирована как посредством СУ УЭПН, так системой управления верхнего уровня. По каналу связи, используемому ТМС 6 и СУ УЭПН 11 или отдельному каналу УУ ДТРП 12 подает необходимая управляющая команда и уставки через БСС 15 в БУ 13, размещенные в САО 5. БУ 13 посредством ЭП 3 отсекает по стволу скважины продуктивный пласт на время обработки и запускает, согласно принятым инструкциям, в работу блоки ФЭВ 1 и ФЭВ 2.
УУ ДТРП (фиг. 3) содержит БСН 18, посредством которого осуществляется подключение к каналу связи с САО 5 и к верхнему уровню управления, в том числе и к СУ УЭПН. БИ 19 необходим для осуществления контроля за работой скважинной части СУОП, например, путем регистрации акустических сигналов, приходящих по обсадной трубе.
Основные параметры работы СУОП, временная задержка между парами Импульсов, их количество и частота следования, первоначально установленные на основании априорного моделирования на образцах породы и известных моделях пластов, запоминаются в аппаратуре БУ 13. После завершения цикла обработки ЭП 3 открывается и запускается процесс апробации, например, в оценке уровня притока или градиента притока соответствующими средствами измерений (не показаны). Оценка результатов происходит либо в верхнем уровне управления, либо в УУ ДТРП 12 на основании информационной обратной связи через БСН 18 в автоматическом или автоматизированном режиме. При необходимости повторяют цикл обработки после регулировки параметров воздействия. Обработку осуществляют до достижения оптимального результата
Помимо упомянутых блоков в САО 5 размещен БЭП 14. Его задачей является обеспечение всех блоков в скважинной части электропитанием с необходимыми характеристиками. В качестве первичного источника электроэнергии для БЭП может служить статорная обмотка ПЭД, специальным образом сформированная для этой цели, автономный электрохимческий или электромеханический источник электроэнергии, дистанционное электропитание.
Предлагаемая СУОП может работать автономно. Например, до спуска УЭПН или штангового глубинного насоса (ШГН) в скважину на кабеле опускают скважинную часть СУОП с таким расчетом, чтобы блоки ФЭВ были на уровне продуктивного пласта, и инициируют работу системы в соответствии с вышеописанным алгоритмом.
В целом, предлагаемая система относится к классу оптимальных адаптивных систем экстремального управления с использованием упрощенных моделей управляемых процессов, в частности, эмпирических моделей. Алгоритмы настройки параметров для достижения оптимума известны (Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А. Красовского. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1987, 712 с.).
Реализация устройств и блоков СУОП известна. Блоки ФЭВ могут реализовываться на базе двух хорошо известных принципов - управляемого электрического пробоя жидкости в зазоре (megaobuchalka.ru/11/55143.html) и форсированного пережигания проводника в жидкостной среде (Электрический взрыв проводников. Пер. с англ., под ред. А.А. Рухадзе, И.С. Шпигеля, изд. Мир, М, 1965). В состав этих устройств в общем виде входят электроды, источники высокого напряжения, емкостные накопители, механические и управляющие узлы. Их сравнительные характеристики известны. Для расширения зоны обработки пласта блоки могут иметь секционную конструкцию, распределенную по вертикали.
ЭП 3 может быть реализован с использованием имеющихся серийных управляемых пакеров с электроприводом или имеющихся специализированных устройств.
Схемотехническая и конструктивная реализация БСС 15 зависит от вида используемого канала связи. В простейшем виде, при использовании отдельного проводного канала связи с УУ ДТРП 12, это аппаратура полудуплексной системы передачи данных, используемая серийными геофизическими приборами. В других случаях, например, при использований канала связи ТМС осуществляется известное на практике конструктивное, аппаратное и программно-алгоритмическое согласование аппаратуры БСС с ТМС.
БУ 13 может быть выполнен на базе программируемой логики с Использованием современных микропроцессоров. Реализация БЭП 14 с учетом достижения современной схемотехники сомнений не вызывает.
Пример структуры УУ ДТРП, представленный на фиг. 3, поясняет взаимодействие известных элементов устройства. Следует отметить, что исполнение блока БСН 18 должно обеспечивать, при необходимости, набор интерфейсных модулей для канала связи с САО 5, СУ УЭПН 11 и аппаратурой внешнего уровня управления.
Предлагаемый способ импульсной обработки продуктивного пласта при добыче углеводородного сырья и система управления, его осуществляющая, обладают следующими преимуществами:
1. Итеративный характер процесса обработки продуктивного пласта существенно обеспечивает существенное повышение проницаемости продуктивного пласта.
2. Предлагаемая система универсальна. Она эффективна как для добывающих, так и для нагнетательных скважин. Ее можно использовать непосредственно при добыче, агрегатируя в состав технологического оборудования, так и автономно.
3. Предлагаемые способ и система обеспечивают высокую производительность и безопасность работ на промыслах.
4. Использование формирователей электрогидравлического воздействия в качестве импульсных ударных источников позволяет практически исключить риски разрушения элементов скважинного пространства, нанесения вреда окружающей среде.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить эффективность добычи углеводородного сырья в малодебитных месторождениях и месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами за счет использования импульсной обработки продуктивного пласта с управляемым электрогидравлическим воздействием