Способ импульсного воздействия на нефтяной пласт

 

Изобретение относится к добыче нефти с применением импульсного воздействия на нефтяной пласт и обеспечивает повышение эффективности способа за счет расширения диапазона регулирования импульсного воздействия на нефтяной пласт и снижения потерь энергии в импульсной камере. Сущность изобретения: способ включает повышение силовым насосом давления столба жидкости в насосно-компрессорной колонне (НКК), опущенной в скважину до возникновения избыточного давления в НКК и импульсной камере, ограниченной обсадной колонной и жестким пакером, перекрывающим кольцевое пространство между обсадной трубой и НКК. Обеспечивают генерирование импульсов давления за счет резкого периодического сброса и повышения давления в линии нагнетания, сообщающей силовой насос с НКК, и передачу импульсов давления из импульсной камеры в нефтяной пласт. Согласно изобретению столб жидкости в НКК формируют, по крайней мере, из двух слоев разноплотных жидкостей. Плотность нижнего слоя жидкости принимают выше плотности верхнего слоя жидкости. Высоту слоев жидкостей определяют исходя из условия максимального избыточного давления, развиваемого в импульсной камере при гидроударе по аналитическому выражению. Для ограничения импульсной камеры на забое скважины устанавливают дополнительный жесткий пакер или цементный стакан. 1 ил.

Изобретение относится к добыче нефти с применением импульсного воздействия на нефтяной пласт.

Известен способ импульсного воздействия на нефтяной пласт, включающий подачу в скважину по колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) жидкости под давлением и последовательное разрушение установленных в ней диафрагм. Возникающие при этом импульсы давления передаются в нефтенасыщенную призабойную зону скважины (Сучков Б.М. Применение гидроударного воздействия на пласт раствором кислоты. - М.: ВНИИОЭНГ, 1988, с.7-15).

Недостатками известного способа являются:

- ограниченность количества импульсов, определенного числом диафрагм, установленных в НКТ;

- ограниченность частоты следования импульсов, поскольку между очередными импульсами воздействия требуется время для спуска в скважину калиброванного шарика для перекрытия отверстия в очередной диафрагме.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ импульсного воздействия на нефтяной пласт, включающий повышение силовым насосом давления столба жидкости в обсаженной скважине и передачу импульсов давления из скважины на пласт, которые генерируют за счет резкого периодического сброса и повышения давления в линии нагнетания, сообщающей силовой насос с насосно-компрессорной колонной, опущенной в скважину, при этом импульсы давления передают в пласт из камеры, ограниченной обсадной колонной и жестким пакером, спущенным в скважину на насосно-компрессорной колонне (Патент РФ, №2151280, Е 21 В 43/25, 1997).

Недостатками известного технического решения являются:

- ограниченность возможностей регулирования амплитуды импульсов давления только за счет давления, создаваемого силовым насосом, при прочих равных условиях;

- потери энергии импульсного воздействия, связанные с тем, что импульсная камера, как правило, ограничена снизу резиновой пробкой, применяемой при цементировании скважин, что приводит к потерям энергии на ней.

Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет расширения диапазона регулирования импульсного воздействия на нефтяной пласт и снижения потерь энергии в импульсной камере.

Указанная цель достигается тем, что в способе импульсного воздействия на нефтяной пласт, включающем повышение силовым насосом давления столба жидкости в насосно-компрессорной колонне (НКК), опущенной в скважину, до возникновения избыточного давления в НКК и импульсной камере, ограниченной обсадной колонной и жестким пакером, перекрывающим кольцевое пространство между обсадной трубой и НКК, генерирование импульсов давления за счет резкого периодического сброса и повышения давления в линии нагнетания, сообщающей силовой насос с НКК, и передачу импульсов давления из импульсной камеры в нефтяной пласт, столб жидкости в НКК формируют, по крайней мере, из двух слоев разноплотных жидкостей, при этом плотность нижнего слоя жидкости выше плотности верхнего слоя жидкости, а высоту слоев жидкостей определяют из условия максимального избыточного давления ΔР_у, развиваемого в импульсной камере при гидроударе

ΔP_у ≤ P_з.д-(hρ_л +(Н - h)ρ_т)g,

где Р_з.д - максимально допустимое давление в импульсной камере на забое скважины; Н - общая длина НКК; h - высота слоя легкой жидкости; ρ_т, ρ_л - плотность тяжелой и легкой жидкости; g - ускорение силы тяжести,

при этом на забое скважины устанавливают дополнительный жесткий пакер или цементный стакан, ограничивающий импульсную камеру.

Преимущества использования в качестве столба жидкости, заполняющего НКК и импульсную камеру разноплотных жидкостей, связано с тем, что, при прочих равных условиях (одинаковом времени срабатывания и размера проходного сечения управляющего клапана и т.п.) в случае, если у НКК длиной Н верхняя часть, от устья скважины до глубины h, заполнена средой с низкой плотностью ρ_л, а нижняя часть заполнена средой с высокой плотностью ρ_т, то избыточное гидростатическое давление на забое скважины, которое в данном случае равно давлению в импульсной камере, равно Р_з.ст=(hρ_л+(Н-h)p_т)g. Если через ΔР_у обозначить избыточное давление, создаваемое источником давления при гидроударе, то исходя из условия не разрушения обсадной трубы, которое происходит при достижении давления _з.р, давление на забое скважины при гидроударе Р_з.у должно удовлетворять условию

Р_з.у=ΔР_у+Р_з.ст=ΔР_у+(hρ_л+(Н - h)ρ_т)g≤Р_з.р.

Из этой формулы следует, что чем меньше гидростатическое давление на забое скважины Р_з.ст, т.е. чем меньше плотность жидкости, тем большее избыточное давление за счет гидроудара ΔР_у может быть создано, а следовательно, может быть увеличена амплитуда импульсного воздействия на нефтяной пласт.

В качестве условия, определяющего максимально допустимую величину давления, создаваемого при гидроударе, может использоваться условие, что в призабойной зоне не должно происходить разрушения исходного нефтяного пласта. В этом случае предельное давление, которое может развиваться при гидроударе пласта, не должно более чем в два раза превышать горное давление Р_г (Попов А.А. Ударные воздействия на призабойную зону скважин. - М.: Недра, 1990, с.85).

В общем случае можно записать, что избыточное давление, создаваемое на забое скважины за счет гидроудара, должно удовлетворять условию

ΔP_у ≤ P_з.д-(hρ_л+(Н-h)ρ_т)g, (1)

где Р_з.д - максимально допустимое давление на забое скважины, определяемое как величина Р_з.р, 2Р_г или иным условием.

Избыточное давление, создаваемое при гидроударе ΔР_у, связано с избыточным давлением, создаваемым силовым насосом ΔР_н, соотношением (там же, с.80-85)

ΔР_у=((2·ΔР_н/ξ)(К/(1+(d·K/δ/Е))))^1/2,

где ξ - коэффициент скорости; К - модуль упругости жидкости (Па); d - внутренний диаметр обсадной колонны (м); δ - толщина стенки обсадной трубы (м); Е - модуль упругости материала стенки обсадной колонны (Па).

Если в последней формуле для простоты положить, что коэффициент скорости равен единице, при d=10^-1м, δ=10^-2м, Е=2·10⁹ Па (вода) и 1,3·10⁹ Па (нефть), Е=200·10⁹ Па, что соответствует ожидаемым значениям параметров, то последняя формула переходит в приближенную

ΔР_у=(2·ΔР_н·К)^1/2. (2)

Из последней формулы следует, что одинаковый импульс избыточного давления может быть создан или за счет повышения избыточного давления ΔР_н, создаваемого насосом у жидкости с небольшим модулем упругости Е, или за счет меньшего повышения давления ΔР_н в жидкости с большим модулем упругости Е.

Таким образом, высота слоев легкой и тяжелой жидкостей должна определяться из условия максимальной величины избыточного давления, которое может развить насос высокого давления ΔР_н, свойств жидкости (ρ и К), глубины залегания нефтяного пласта (Н) и величины максимально допустимого давления на забое скважины Р_з.д.

Установление на забое скважины жесткого пакера или цементного стакана направлено на уменьшение потерь энергии от импульса давления, которые рассеиваются через резиновую пробку, обычно применяемую при цементировании скважин.

На чертеже приведена схема обвязки скважины для импульсного воздействия на нефтяной пласт.

Способ может быть реализован следующим образом.

Воздействие на нефтяной пласт осуществляют через обсадную зацементированную колонну 1 с неперфорированным или перфорированным интервалом, если в последнем отсутствуют приток или приемистость жидкости.

В скважине устанавливают колонну 2 НКТ, а межтрубное пространство между обсадной и НКТ выше кровли пласта перекрывают жестким пакером 3. На забое скважины, ниже подошвы пласта устанавливают жесткий пакер или цементный стакан 4. Импульсную камеру 5 образует часть обсадной колонны, ограниченной пакерами 3 и 4. На выкидной линии 6 колонны 2, подключенной к силовому источнику высокого давления 7, установлен управляемый клапан 8. Клапан 8 может срабатывать от управляющего устройства (не показано) или при достижении заданного предельного давления.

При работе насоса высокого давления 7 в импульсной камере 5 возникает максимальное избыточное давление, при достижении которого клапан 8 переключается и избыточное давление в жидкости в линии 6 по трубопроводу 9 сбрасывается в резервуар 10. Одновременно клапан 8 обеспечивает переключение потока жидкости с линии 6 по трубопроводу 11 в резервуар 10, т.е. насос 7 переводится в рециркуляционный режим работы. После резкого сброса давления до заданного значения клапан 8 возвращается в исходное состояние, и давление в камере 5 снова возрастает до заданного уровня.

Пример определения параметров

Р_з.д=8·10⁷ Па, Н=2000 м, ΔР_н=10⁶ Па, ρ_л=850 кг/м³, К_л=1,33·10⁹ Па, ρ_т=850 кг/м³, К_т=2·10⁹ Па.

Задавая h=0, т.е. если используется только тяжелая жидкость (вода), получим, что расчет по формуле (1) дает ΔР_у ≤ 6·10⁷ Па, а по формуле (2) ΔР_у=6,3·10⁷ Па. Это означает, что создаваемый импульс давления превосходит допустимое значение.

Задавая h=2000 м, т.е. если используется только легкая жидкость (нефть), получим, что расчет по формуле (1) дает ΔРу ≤ 6,3·10⁷ Па, а по формуле (2) ΔР_у=5,2·10⁷ Па. Это означает, что создаваемый импульс давления может быть увеличен, так как он меньше предельно допустимого.

Оптимальным будет такое заполнение НКТ жидкостями, при котором величина допустимого импульса давления будет равна импульсу давления, развиваемому при гидроударе.

Модуль упругости столба жидкости, состоящего из двух разноплотных слоев

К=К_т/((1-h/H)+(hК_т/H/К_л)).

Приравнивая (1) и (2) получим, что при h=180 м ΔР_у=6,06·10⁷ Па. Таким образом, высота нижнего слоя, состоящего из воды равна 1820 м, в верхнего, состоящего из нефти, - 180 м.

Путем изменения высоты слоя легкой жидкости h можно понижать величину гидростатического давления на забое скважины Р_з.ст, а с другой стороны, столб легкой жидкости выступает как своеобразный демпфер, несколько уменьшающий амплитуду гидроудара, который создается на забое скважины, поскольку, как правило, более легкая жидкость имеет меньший модуль упругости.

Импульсы давления создают в камере 5 гидравлические удары, которые через стенки обсадной трубы и цементный камень 13 передаются в пласт 12. Амплитуда скачков давления задается рабочим давлением, развиваемым насосом 7, а частота следования импульсов соответствует частоте срабатывания клапана 8 при условии, что производительность насоса намного больше объема жидкости, сброшенной в резервуар 10, и не требует проведения каких-либо операций в скважине.

Предложенный способ импульсного воздействия на нефтяной пласт имеет широкие возможности регулирования как по амплитуде, так и по частоте импульсного воздействия и не предъявляет каких-либо особых условий к конструкции скважины и используемым насосам высокого давления и регулирующей арматуре. После окончания воздействия и образования в нефтяном пласте дополнительных трещин может быть выполнен процесс освоения неперфорированной скважины (перфорация и вызов притока нефти) по обычной технологии.

Формула изобретения

Способ импульсного воздействия на нефтяной пласт, включающий повышение силовым насосом давления столба жидкости в насосно-компрессорной колонне, опущенной в скважину, до возникновения избыточного давления в насосно-компрессорной колонне и импульсной камере, ограниченной обсадной колонной и жестким пакером, перекрывающим кольцевое пространство между обсадной трубой и насосно-компрессорной колонной, генерирование импульсов давления за счет резкого периодического сброса и повышения давления в линии нагнетания, сообщающей силовой насос с насосно-компрессорной колонной, и передачу импульсов давления из импульсной камеры в нефтяной пласт, отличающийся тем, что столб жидкости в насосно-компрессорной колонне формируют, по крайней мере, из двух слоев разноплотных жидкостей, при этом плотность нижнего слоя жидкости выше плотности верхнего слоя жидкости, а высоту слоев жидкостей определяют из условия максимального избыточного давления ΔР_у, развиваемого в импульсной камере при гидроударе:

ΔP_у ≤ P_зд - (hρ_л +(Н - h)ρ_т)g,

где Р_зд - максимально допустимое давление в импульсной камере на забое скважины;

h - высота слоя легкой жидкости;

ρ_л - плотность легкой жидкости;

Н - общая длина насосно-компрессорной колонны;

ρ_т - плотность тяжелой жидкости;

g - ускорение силы тяжести,

при этом на забое скважины устанавливают дополнительный жесткий пакер или цементный стакан, ограничивающий импульсную камеру.

РИСУНКИ

Рисунок 1