Способ воздействия на пласт пульсирующим давлением пороховых газов

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для воздействия на пласт пульсирующим давлением с целью улучшения гидродинамической связи скважины с пластом. Обеспечивает создание в скважине в интервале продуктивного пласта пульсирующего давления с оптимальным периодом и амплитудой, не превышающими допустимых для целостности обсадной колонны и цементного камня. Сущность изобретения: способ включает размещение и сжигание в скважине трубчатых пороховых зарядов. Воспламеняют и сжигают часть пороховых зарядов по боковой поверхности с возможностью горения оставшейся части этих же зарядов по торцевой поверхности или воспламеняют и сжигают две или более секций пороховых зарядов. В каждой из них одну часть зарядов сжигают по боковой поверхности, а другую часть зарядов - по торцевой поверхности. Пульсацию давления пороховых зарядов обеспечивают с периодом и амплитудой пульсации, не превышающими допустимых для целостности обсадной колонки и цементного камня. При сжигании одних и тех же пороховых зарядов по боковой и торцевой поверхностям значения высот зарядов, сжигаемых по боковой поверхности и по торцевой поверхности, определяют по соотношению. 3 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для разрыва и обработки нефтегазоносных пластов пороховыми газами.

В последние годы широкое применение получили способы обработки пласта, создающие в коллекторах многократно повторяющиеся возмущения, возникающие при воздействии на пласт многократных глубоких депрессий или депрессий с репрессиями. Эффективность такого многократного циклического воздействия зависит от правильного выбора таких параметров воздействия, как амплитуда давления депрессии и репрессии, период и количество циклов, в зависимости от типа коллектора и его фильтрационно-емкостных и других свойств.

В работах (1, 2 и 3) показано, что в зависимости от свойств коллектора величина необходимой депрессии Δ P_д может изменяться в пределах 3-150-180 МПа, период - в пределах 5-300 с, а количество циклов n - в пределах 5-5 циклов.

Известен способ создания мгновенных депрессий на пласт в скважине. Суть предложенного метода состоит в том, что после установки пакера в скважине путем закачки сжатого газа, в полости под пакером понижают уровень жидкости до допустимой глубины. Затем, приподнимая насосно-компрессорные трубы (НКТ), открывают забойный клапан, и пластовая жидкость в условиях депрессии частично или полностью заполняет полость НКТ.

Основной недостаток предположенного способа состоит в том, что он позволяет создавать только депрессию на пласт.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ воздействия на пласт пульсирующим давлением пороховых газов, включающий размещение и сжигание в скважине, заполненной жидкостью, трубчатых пороховых зарядов (4).

В результате циклического воздействия на пласт в режиме депрессия - репрессия происходит очистка призабойной зоны пласта (ПЗП) и постепенное заполнение скважины пластовым флюидом.

Основными недостатками способа являются его сложность и высокая стоимость.

Техническим результатом изобретения является сохранение целостности обсадной колонны и цементного камня.

Необходимый технический результат достигается тем, что в способе воздействия на пласт пульсирующим давлением пороховых газов, включающем размещение и сжигание в скважине, заполненной жидкостью, трубчатых пороховых зарядов, воспламеняют и сжигают часть пороховых зарядов по боковой поверхности с возможностью горения оставшейся части этих же зарядов по торцевой поверхности или воспламеняют и сжигают две или более секций пороховых зарядов, в каждой из которых одну часть зарядов сжигают по боковой поверхности, а другую часть зарядов - по торцевой поверхности, а пульсацию давления пороховых газов обеспечивают с периодом и амплитудой пульсации, не превышающими допустимые для целостности обсадной колонны и цементного камня, при этом при сжигании одних и тех же пороховых зарядов по боковой и торцевой поверхностям значения зарядов, сжигаемых по боковой поверхности (Н_бок) и по торцевой поверхности (H_тор.) определяют соотношениями где P - амплитуде пульсации пороховых газов, Па; ϕ ≈ 0,725 - коэффициент, учитывающий потери энергии на нагревание окружающей среды; P_o - гидростатическое давление, Па; f - сила пороха, Дж/кг; ρ_п - плотность порохового заряда, кг/м³; ρ - плотность скважинной жидкости, кг/м³; C - скорость звука в жидкости, м/с;
U₁ - скорость горения при давлении, равном P₁, м/с;
D_скв - диаметр скважины, м;
D_т и d_n - диаметр порохового заряда и его канала, м
e - толщина свода порохового заряда, м;
- при горении по внутренней или наружной поверхности;
- при горении одновременно по внутренней и наружной поверхностям;
γ - показатель адиабаты продуктов горения;
T_г - температура горения, K;
T_тор и T_бак - температура продуктов горения при торцевом горении и при горении по боковой поверхности, K.

Записи зависимости давления от времени P(t), полученные при сжигании трубчатых зарядов порохового генератора давления ПГД.БК (4) по боковой поверхности канала, показывают, что перепад давления практически линейно растет до своего максимального значения Δ P . Это позволяет вывести приближенное соотношение для определения массы порохового заряда, которую необходимость сжечь для создания в скважине максимального перепада Δ P.

Согласно (5), максимальный перепад давления равен

где P_m - максимальное давление продуктов горения,
P_o - гидростатическое давление,
ϕ - коэффициент, учитывающий потери энергии на нагревание окружающей среды и работу по расширению полости в скважинной жидкости,
m - масса порохового заряда,
f - сила пороха,
V - объем, занятый продуктами горения.

Если принять зависимость скорости горения пороха от давления в виде (4) (U₁ - скорость горения при давлении, равном P₁), то время горения трубчатого порохового заряда по боковой поверхности канала будет равно

где l - толщина свода горения,
U_ср - средняя скорость горения,
D_п - диаметр порохового заряда,
d_n - диаметр канала порохового заряда.

Так как скорость расширения полости связана с перепадом давления соотношением (ρ - плотность скважинной жидкости, C - скорость звука), то объем, занятый продуктами горения, будет равен

где S_скв = - площадь сечения скважины,
V_ср - среднее значение V,
D_скв - диаметр скважины.

Подставляя (2) в (1) получим значение массы пороха, необходимой для получения максимального перепада давления Δ P

Отсюда необходимую высоту трубчатого заряда, горящего по боковой поверхности канала, можно определить из соотношения

где ρ_п - плотность порохового заряда.

Точные расчеты на ЭВМ показали, что ΔP не зависит от режима горения по боковой поверхности, т. е. при сжигании изнутри или одновременно изнутри и снаружи Δ P зависит только от высоты заряда.

Соотношение (3) правомерно при горении по боковой поверхности, когда газоприход настолько велик, что время горения совпадает со временем достижения максимального перепада давления.

При торцевом горении газоприход настолько мал, что давление продуктов горения незначительно отличается от гидростатического давления P_o и, более того, как показывают расчеты на ЭВМ, давление пульсирует вокруг P_o, при этом
После окончания процесса горения порохового заряда, независимо от режима горения, скважинная жидкость над зоной горения совершает колебательное движение, подчиняющееся дифференциальному уравнению движения.

где x(t) - закон движения скважинной жидкости
(x - интервал скважины, занятый продуктами горения)
g - ускорение свободного падения,
β - коэффициент, характеризующий сопротивление цилиндрической трубы.

Исследования (6) показывают, что β зависит от числа Рейнольдса (ν - кинематическая вязкость скважинной жидкости). Как показано в (4), при Re ≅ 1200

при 1200
при

где - коэффициент, характеризующий чистоту обсадных труб = 600 для гладких труб, и β = 0,188 при Re > 80000).

Если зависимость давления продуктов горения отлинеаризировать

где x_o - значение x при давлении P_o;
γ - показатель адиабаты продуктов горения, то уравнение (4) примет вид

Это уравнение при Re≅1200 будет выглядеть как

Период пульсации, согласно этому уравнению, равен

Как показывают расчеты, , поэтому

При числах Рейнольдса > 1200 коэффициент сопротивления уменьшается, поэтому соотношение (5) становится более точным. Так как значение x_o зависит от массы продуктов горения соотношением

где T - температура продуктов горения,
T_г - температура горения,
то, используя (5), получим значение массы пороха, необходимого для получения пульсации давления с периодом τ

Тогда общая высота порохового заряда будет равна

Как показывают расчеты на ЭВМ, температура продуктов горения зависит от режима горения. При торцевом горении T_тор ≈ 850 K, а при горении по боковой поверхности T_бок 450 K, поэтому, приняв

из соотношения (6) получим высоту порохового заряда, горящего по торцу, необходимую для получения периода пульсации после сгорания всего заряда

Таким образом, если задать допустимый перепад давления Δ P и оптимальный период пульсации перепада τ, то по соотношениям (3) и (7) можно определить высоту требуемого для этого трубчатого порохового заряда, часть которого высотой H_бок необходимо воспламенять по боковой поверхности, а другую часть высотой H_тор сжигать по торцу.

Приведем пример реализации предлагаемого способа.

Пусть в скважине диаметром D_скв = 126 мм при гидростатическом давлении P_o = 30 МПа необходимо создать максимальный перепад давления Δ P = P_гор - P_o ≈ 1,5 P_o = 45 МПа и пульсацию перепада с периодом τ = 6 с (P_гор - горное давление). Плотность скважинной жидкости ρ = 1000 кг/м³, скорость звука C = 1500 м/с. Применяем пороховые заряды с D_п = 95 мм, d_n = 24 мм, с характеристиками: f = 86000 кгс·м/кг, ρ_п = 1610 кг/м³, U₁ = 0,083 мм/с при P₁ = 0,1 МПа, T_г = 2500 K · T_бок = 450 K, T_тор = 850 K, γ = 1,25.

Определяем высоту заряда, поджигаемого по боковой поверхности канала:

Определяем высоту заряда, горящего по торцу:

Таким образом, пороховой заряд высотой 1,8 м, половина которого горит по внутреннему каналу, а другая половина - по торцу, создает в скважине с гидростатическим давлением 30 МПа пульсирующее давление с перепадом Δ P≅ 45 МПа и периодом τ = 6 с. На фиг. 1 представлена зависимость P (t) для горения такого заряда, полученная при расчете на компьютере с использованием специальной программы, разработанной в нашем институте для расчета процесса горения порохового заряда в скважине. Программа включает систему дифференциальных уравнений, описывающую процесс горения с учетом условий в скважинах, размеров пороховых зарядов, характеристик пороха и режима горения.

Из фиг. 1 видно, что при горении такого заряда происходит пульсация с периодом τ 6 с, с Δ P≅ 75 МПа, при этом перепад давления Δ ≥ 4 МПа в течение 60 с, количество циклов при этом равно 10. Отметим, что время горения всего заряда равно 35 с.

Если потребуется получить пульсацию с периодом τ>6 с, то необходимо увеличить высоту заряда, горящего с торца. Однако, как видно из графика P(t) на фиг. 2, полученного при сжигании одного бокового и 5 торцевых зарядов (H_тор = 4,5 м), уже после сгорания первого торцевого заряда амплитуда ставится менее 2 МПа.

Картина меняется, если второй торцевой заряд заменить зарядом, горящим по боковой поверхности.

На фиг. 3 представлена зависимость P(t) при горении двух секций трубчатых зарядов, каждая из которых состоит из одного, горящего по боковой поверхности, и второго, горящего по торцу. Все заряды имеют длину 0,9 м, общая длина заряда - 3,6 м.

При горении такого заряда получаем пульсирующее давление с амплитудой 2 МПа < |ΔP| < 45 МПа с периодом τ ≈ 8 с, количество циклов n > 13. Таким образом, увеличивая количество секций можно увеличивать как количество циклов, так и период пульсирующего давления, не увеличивая максимальное значение Δ P и не уменьшая его минимальное значение.

Литература
Яремчук Р.С. и др. Применение струйных аппаратов при освоении скважин. - М., ВНИИОЭНГ, 1988, с. 25.

Гаврилкевич К.В. Новый метод образования трещин в нефтяных пластах - метод переменных давлений, Труды ГрозНИИ, вып. 3, М., Гостоптехиздат, 1958, с. 30.

Применение струйных аппаратов при освоении скважин, /Нефтяная промышленность, Серия "Техника и технология бурения скважин". - М., 1988 , с. 35.

Инструкция по применению пороховых генераторов давления ПГД, БК в скважинах. - М., ВИЭМС, 1989.

Серебряков М. Е. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет, М., Оборонгиз, 1962, с. 45.

Александров В.Л. Техническая гидромеханика, М., ОГИЗ, 1946, с. 40-42.

Формула изобретения

Способ воздействия на пласт пульсирующим давлением пороховых газов, включающий размещение и сжигание в скважине, заполненной жидкостью, трубчатых пороховых зарядов, отличающийся тем, что воспламеняют и сжигают часть пороховых зарядов по боковой поверхности с возможностью горения оставшейся части этих же зарядов по торцевой поверхности или воспламеняют и сжигают две или более секций пороховых зарядов, в каждой из которых одну часть зарядов сжигают по боковой поверхности, а другую часть зарядов - по торцевой поверхности, а пульсацию давления пороховых газов обеспечивают с периодом и амплитудой пульсаций, не превышающими допустимые для целостности обсадной колонны и цементного камня, при этом при сжигании одних и тех же пороховых зарядов по боковой и торцевой поверхностям значения высот зарядов, сжигаемых по боковой поверхности (H_бок) и по торцевой поверхности (H_тор) определяют соотношениями


где ΔP - амплитуда пульсации пороховых газов, Па;
ϕ ≈ 0,725 - коэффициент, учитывающий потери энергии на нагревание окружающей среды;
P_o - гидростатическое давление, Па;
f - сила пороха, Дж/кг;
ρ_п - плотность порохового заряда, кг/м³;
ρ - плотность скважинной жидкости, кг/м³;
C - скорость звука в жидкости, м/с;
U₁ - скорость горения при давлении, равном P₁, м/с;
D_скв - диаметр скважины, м;
D_п, d_п - диаметр порохового заряда и его канала, м;
e - толщина свода порохового заряда, м;
- при горении по внутренней или наружной поверхности;
- при горении одновременно по внутренней и наружной поверхностям;
γ - показатель адиабаты продуктов горения;
T_г - температура горения, K;
T_тор, T_бок - температура продуктов горения при торцевом горении и при горении по боковой поверхности, K;
g - ускорение свободного падения, м/с².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3