Способ фазовзрывного воздействия в скважине

Изобретение относится к добыче нефти и подземных вод. Обеспечивает повышение эффективности добычи за счет возможности регулирования процесса взрывообразного кипения рабочей жидкости в скважине. Сущность изобретения: способ включает спуск в скважину источника тепловой энергии и имплозионной камеры. Осуществляют тепловое воздействие и запуск фазовзрывного процесса открытием имплозионной камеры. Согласно изобретению имплозионную камеру открывают после достижения максимальной температуры скважинной жидкости в самом начале ее спада. При этом снижают температуру запуска фазовзрывного процесса. Для этого используют имплозионную камеру с давлением ниже атмосферного. Способ по второму объекту включает спуск в скважину источника тепловой энергии и воздушной имплозионной камеры. Осуществляют тепловое воздействие и запуск фазовзрывного процесса открытием воздушной имплозионной камеры. Согласно изобретению воздушную имплозионную камеру размещают на удалении от источника тепловой энергии, где температура скважинной жидкости обеспечивает запуск фазовзрывного процесса, или воздушную имплозионную камеру открывают с запаздыванием. Этим предотвращают чрезмерный энергетический потенциал фазовзрывного процесса с разрушением обсадной колонны и цементного камня. При этом мощность фазовзрывного процесса ограничивают путем использования воздушной камеры под давлением. 2 н.п. ф-лы.

 

Предлагаемое изобретение относится к средствам для добычи нефти и подземных вод.

Известны способы имплозионной и термоимплозионной обработки скважин, которые являются аналогами предлагаемого способа. [4]. При обработке скважин в обоих случаях вызывается кратковременное имплозионное воздействие на пласт. Такое воздействие в нефтяных скважинах применяют для почти мгновенного перемещения скважинной жидкости внутрь воздушной камеры и создания разрежения на забое с целью поступления пластовой жидкости в скважину. В то же время создаются условия для падения столба жидкости, находящейся в скважине, к забою, в результате которого создается гидравлический удар. При термоимплозионной обработке перед открытием воздушной камеры с помощью источника тепловой энергии производится интенсивное предварительное нагревание скважинной жидкости. Все это приводит к очистке призабойной зоны скважины от кольматирующих элементов.

Недостатком термоимплозионного способа обработки скважины является относительная неполнота использования потенциальной энергии источника тепловой энергии для физико-механического воздействия на скважину.

Наиболее близок к заявленному по физической сущности является способ обработки призабойной зоны скважин с целью повышения нефтеотдачи пласта (прототип), в котором создаются термобарические условия для запуска фазовзрывного процесса с использованием обычной воздушной имплозионной камеры [1].

Недостатком прототипа является невозможность понижения теплового порога температуры запуска фазовзрывного процесса, а также понижения чрезмерного потенциала фазовзрывного процесса при взрывообразном кипении скважинной (рабочей) жидкости, приводящего в данном последнем случае к разрушению обсадной колонны и цементного камня.

Ставится задача конкретного решения технических вопросов по снижению теплового порога запуска (инициирования) фазовзрывного процесса, усилению, а при необходимости и ограничению и/или подавлению его чрезмерного энергетического потенциала воздействия при взрывообразном кипении скважинной (рабочей) жидкости.

Поставленная задача, согласно изобретению, решается тем, что в способе фазовзрывного воздействия в скважине создаются и/или используются термобарические условия в скважине для запуска, а также для ограничения и подавления фазовзрывного процесса при помощи имплозионной камеры, давление в которой:

1. Для снижения температуры запуска фазовзрывного процесса давление в имплозионной камере снижают ниже атмосферного.

2. Для ограничения и/или подавления чрезмерного энергетического потенциала фазовзрывного процесса в скважине давление в воздушной имплозионной камере повышают выше атмосферного.

Способ основывается на зависимости спинодального значения максимальной температуры перегретой жидкости от давления.

Фазовзрывной процесс представляет собой реализацию состояния метастабильной жидкости [2, 3] путем ее перехода в стабильное двухфазное состояние (фазовый взрыв). Область существования метастабильной перегретой жидкости заключена между так называемыми бинодалью (линией насыщения) и спинодалыо. Иначе бинодаль представляет собой характеристику линейной зависимости температур кипения жидкости от давления, а спинодаль характеризует зависимость значения максимальной температуры перегретой жидкости от давления. Спинодаль является границей предельного существования перегретой метастабильной жидкости в зависимости от температуры и давления.

Наиболее известна зависимость изменения температуры кипения жидкости от изменения давления. Например, в обычных случаях вода закипает при температуре 100°С, а высоко в горах она закипит при температуре 80-90°С. Если по каким-то причинам

давление оказалось в 1.5-2 раза выше атмосферного, то вода закипит уже при температуре, значительно превышающей 100°С. При кипении воды при низком давлении, (например, в горах) затраты тепловой энергии небольшие, однако, при повышении давления увеличивается температура кипения и, соответственно, увеличиваются энергетические затраты. Этот пример иллюстрирует бинодальную зависимость. Примерно также, хотя и в менее резком виде, выглядит зависимость температуры предельного перегретого состояния жидкости от давления, то есть спинодальная зависимость. И в этом случае с ростом давления растет температура критического состояния перегретой метастабильной жидкости и также увеличиваются затраты тепловой энергии.

Резкий сброс давления вызывает взрывообразное кипение жидкости и приводит к запуску фазовзрывного процесса. Для реализации этого процесса в воде ее нагревают под давлением в прочном баллоне до околоспинодальной температуры 280-290°С, после чего очень быстро сбрасывают давление до нормального атмосферного и она взрывообразно закипает. Предположим, что разгерметизация происходит в условиях, когда давление в два раз превосходит атмосферное, в этих условиях для реализации фазовзрывного процесса температура нагревания должна быть уже 290-310°С. Нагретая до такой температуры вода, безусловно, взрывообразно закипит и при разгерметизации до нормального атмосферного давления, и энергия взрыва будет больше. В этом случае энергия взрыва кубометра воды с температурой 300°С эквивалентна энергии взрыва 15 кг тротила. Еще больше будет энергия фазового взрыва, если сбросить давление до долей нормального атмосферного.

В условиях, когда давление конечного разрежения на порядок меньше обычного атмосферного, температура околоспинодального значения нагрева воды практически минимальная. Ее значение составляет 240-270°С. В нефтяных скважинах естественный глубинный разогрев не достигает такой температуры, хотя давление часто и измеряется многими десятками МПа. Однако, в ряде мест на Земле существуют аномально высокие

температуры подземных вод, так называемые термальные воды, которые обеспечивают работу геотермальных тепловых электростанций. Термальная вода поступает на станцию из глубоких скважин. Подземные воды геотермальных месторождений находятся под большим давлением, сильно перегреты обычно до температуры 240-280°С.

Если опустить в скважину вакуумизированную имплозионную камеру, в которой создано глубокое разрежение с давлением около 0,1 от нормального атмосферного (а именно такое барическое условие в камере мы вкладываем в термин или понятие “вакуумизированная”), и открыть ее напротив геотермального водного горизонта, то есть создать почти мгновенное разрежение в перегретой метастабильной воде, то некоторый объем воды в скважине и околоскважинном пространстве при запуске фазовзрывного процесса взрывообразно закипит. При этом произойдет резкий рост давления, как если бы, например, был взорван быстрогорящий пороховой заряд, а затем произойдет разрежение, как если бы была открыта сопряженная с пороховым зарядом имплозионная воздушная камера. Таким образом, фазовзрывным способом за счет преобразования природной, потенциальной, тепловой, геотермальной энергии - в кинетическую, физико-механическую можно осуществить или как бы повторить виды традиционных воздействий термоимплозионного способа для увеличения притока жидкости в скважину.

1. Предлагаемый способ с использованием вакуумизированной имплозионной камеры позволяет задействовать предельно низкий температурный порог околоспинодального состояния скважинной жидкости для снижения температуры запуска фазовзрывного процесса. Однако, в нефтяных скважинах из-за недостатка температуры скважинной жидкости даже при самом глубоком разрежении имплозионной камеры невозможно прямо запустить фазовзрывной процесс, хотя во многих нефтяных скважинах температура водонефтяной смеси превышает 100°С при давлении многих десятков МПа. Возникает необходимость в дополнительном разогреве скважинной жидкости. Для этого следует

использовать традиционные уже практически отработанные способы, виды и устройства, применяемые при термоимплозионных способах обработки скважин.

Для повышения температуры и давления, а также химического воздействия и преобразования вязких кольматирующих элементов в более легкие и проницаемые фракции углеводородных и других соединений применяют источники тепловой энергии. Обычно такими источниками являются термонагревательные составы и различного рода пиротехнические заряды и нагревательные элементы. Все они могут быть использованы при условии достижения околоспинодального порогового состояния нагрева скважинной жидкости. Для скважинной жидкости это минимальное значение составляет 240-270°С - температуры, обеспечивающей при открытии вакуумизированной имплозионной камеры запуск фазовзрывного процесса в скважине.

Наибольшее распространение в практике применения имеет термоимплозионный способ обработки скважин с использованием пороховых зарядов. Как показывают замеры температур в устройствах, где источником тепловой энергии являются пороховые заряды, работающие в режиме термогазогенератора, в скважине на удалении 9-10 м от зоны горения температура здесь достигает значения - 200°С. При приближении к зоне горения по характеру оплавления температурных образцов установлено, что температура непрерывно увеличивается [4], и можно вполне обоснованно полагать - на удалении уже 2-4 м от зоны горения она достигает значения 240-270°С, что вполне достаточно для запуска фазовзрывного процесса.

В скважине в ограниченном и в значительной мере замкнутом пространстве возможности теплоотдачи существенно снижены. При значительном мощном энергетическом тепловом воздействии, которое оказывается на скважину при использовании современных пиротехнических зарядов, неминуемо достижение предельного порогового околоспинодального состояния скважинной жидкостью вблизи зоны горения. Особенно мощное тепловыделение имеют современные пороховые составы, созданные на основе ракетного баллиститного топлива. На практике в скважинах применяют многосекционные заряды, состоящие из большого количества стандартных зарядов, которые при одновременном горении выделяют весьма значительное количество тепловой энергии в течение буквально нескольких секунд. Как показывают исследования тепловых процессов в скважине, это время, достаточное для достижения максимальной температуры [4].

При сочетании использования вакуумизированной имплозионной камеры вместе с источником тепловой энергии, которым в качестве рассматриваемого примера является мощный пороховой заряд, камера устанавливается в 2-4 метрах выше зоны горения, и открывать ее следует после достижения максимальной температуры в самом начале ее спада. При этом обычно 40-50% окружающей жидкости переходит со взрывом в пар, а остальная ее часть распыляется на мельчайшие капельки, которые как бы образуют капельную “пыль” подобную туману [2, 3]. При этом запущенное фазовзрывное воздействие после традиционного термоимплозионного увеличивает давление, усиливает динамическую энергию порохового заряда, подбрасывает столб жидкости, вызывая и/или усиливая последующий гидродинамический удар. При этом остаточная потенциальная тепловая энергия после разогрева в условиях высокого давления преобразуется в кинетическую физико-механическую. Во время подбрасывания столба скважинной жидкости вверх происходит снижение давления в скважине, которое приводит к перенасыщению газовой паровой составляющей фазовзрывного процесса. Перенасыщение вызывает очень быстрый и стремительный переход (конденсацию) газовой фазы в жидкую. Этому способствуют образованные при реализации фазовзрывного процесса (при взрывообразном кипении) мельчайшие капельки “капельный туман”, которые являются “зародышами” конденсации. Конденсация приводит к усилению и углублению депрессионных условий в скважине, что вызывает резкий приток жидкости из-за околоскважинного пространства.

Применение предлагаемой вакуумизированной имплозионной камеры, в которой давление ниже атмосферного, предельно ограничивает поступление инертного воздуха, который, как и любой газ способен к сжатию и расширению. Присутствуя и не участвуя в фазовзрывном процессе (преобразовании), он снижает как физико-механическую энергию фазового взрыва, так и последующий депрессионный эффект.

Вакуумное имплозионное воздействие в фазовзрывном процессе, кроме того, что позволяет предельно понизить температурный порог околоспинодального состояния, является одним из самых сильных и совершенных способов воздействия на пласт, поскольку наиболее полно реализует тепловые энергетические возможности. Применительно к нефтяным скважинам оно позволит также вовлечь в процесс взрывообразного кипения самые тяжелые парафиновые соединения, входящие в состав нефти и кольматанта. В экспериментах по исследованию перегрева жидкостей в пузырьковых камерах установлено, что “испарение пузырьков (парафинов) при высоких давлениях (конечного разрежения) утрачивает ярко выраженный взрывной характер” [3]. Вакуумизированная имплозионная камера обеспечивает благоприятное предельно низкое давление конечного разрежения фазовзрывного процесса. Тем не менее, представляется целесообразным перед обработкой пласта проведение промывки нефтяных скважин водой с целью уменьшения содержания нефти в водонефтяной смеси. При термоимплозионном воздействии на нефтяные скважины происходит термическое пиролизное преобразование тяжелых углеводородов в более легкие [4]. С включением фазовзрывного процесса вместе с пиролизным разрушением углеводородов под воздействием ударного взрывного кипения перегретого пара активизируется и их гидролизное разложение.

Примером методики раннего запуска (инициирования) фазовзрывного процесса в скважине могут служить комплексные работы по обработке призабойной зоны пласта, проведенные в республике Татарстан в нефтяных скважинах Бавлинского НГДУ НТО ОО “ВУГЕЦ” [4]. В них проводилось измерение давления (например, скв. № 1922 и № 1988

Сабанчинского месторождения) и температуры, как во время работы порохового заряда, так и при последующем открытии воздушной имплозионной камеры. Все скважины характеризуются однотипностью геолого-технических параметров, а поэтому характер термоимплозионного процесса и, соответственно, полученные результаты оказались весьма близкими. Типичной является скважина, нефтяной пласт которой имеет мощность 2 м, расположенный на глубине 1175 метров.

В предварительно промытую скважину на уровень продуктивного пласта опускали термоимплозионное устройство, работающее в режиме горения термогазогенератора с высокометаллизированным пиротехническим пороховым зарядом ВМПС весом 9-10 кг и воздушную имплозионную камеру длиной около 8-9 метров, давление внутри которой было нормальное атмосферное, т.е. Р им = Р атм. Температура в непосредственной близости от термогазогенератора определялась с применением плавких материалов, а измерение температуры в области наголовника скважинного прибора (на удалении около 10 метров от заряда) проводилось электронным датчиком, созданным с применением кремнистых полупроводниковых диодов. Зная температуру в зоне горения, определенную в технических характеристиках термогазогенераторного устройства, температуру в непосредственной близости от него по плавким образцам, установленным в центраторе, и температуру в наголовнике по электронному датчику, оценивают распределение температуры по оси скважины. При проведении термоимплозионного способа обработки скважин полученная с электронного датчика термограмма записи показала, что температура скважинной жидкости после работы термогазогенератора в течение 38 секунд достигла 200°С. Фактически при разогревании экстремальная температура была выше, поскольку при имплозионной обработке с небольшой скоростью производился подъем скважинного оборудования. После перерыва в 12 секунд, когда температура упала до 133-134°С, была открыта воздушная имплозионная камера. Температура в непосредственной близости от термогазогенезатора (на расстоянии около 50 см) определялась в скважинах при применении набора легкоплавких образцов. Она достигала за счет воздействия раскаленных пороховых газов 750-800°С. Вполне обоснованно следует полагать, что в месте открытия клапана камеры температура скважинной жидкости здесь составила не менее 260-270°С.

Достигнутые в этой скважине термобарические условия позволяют их реализацию в фазовзрывном процессе при использовании в оснастке имплозионной камеры с глубоким разрежением (вакуумизированную), которую следует открыть сразу после работы термогазогенератора. В этом случае раннее открытие имплозионной камеры с глубоким внутренним разрежением запустит (инициирует) фазовзрывной процесс и позволит оказать более глубокое и совершенное воздействие на пласт.

2. Стремление к достижению все более мощного термического воздействия на скважину приводит к появлению пороховых зарядов с усиленными энергетическими возможностями. Проведенные в последнее время испытания термогазогенераторов на базе высокометаллизированных пиротехнических составов (ВМПС), которые по своим техническим возможностям значительно превосходят даже заряды на основе баллиститного ракетного топлива (теплота сгорания ВМПС 12500 кДж/кг против 4900 кДж/кг ракетного топлива), показало их высокую эффективность. Однако, при испытаниях были отмечены случаи аварийной деформации скважин. Причины аварий оказывались непонятными. По нашему мнению применение мощных зарядов вызывает очень высокую температуру перегрева скважинной жидкости. При случайном открытии воздушной имплозионной камеры в момент достижения оптимального сочетания давления и температуры запускается фазовзрывной процесс (механизм) с изначально чрезмерным энергетическим потенциалом. Даже применение обычной воздушной имплозионной камеры вызывает слишком интенсивное результирующее подбрасывание столба скважинной жидкости, сопровождающееся длительным и глубоким разрежением в скважине, при котором неуравновешенное наружное литостатическое давление, порой достигающее сотен МПа, вызывает необратимое разрушение обсадной трубы и цементного камня. В обрабатываемом интервале происходит как бы “схлопование” трубы, сопровождающееся прихватом оснастки, и именно подобный характер аварийных ситуаций был отмечен при испытаниях. Более того, возникновение аварий не исключается и при использовании ракетного баллиститного топлива, скомпонованного из большого количества стандартных зарядов.

Случаи иногда возникающих аварий в скважинах при применении мощных пороховых зарядов вкупе с воздушной имплозионной камерой, свидетельствуя о реализации фазовзрывного процесса, в то же время указывают на необходимость ограничения, а при необходимости и полного подавления чрезмерного энергетического потенциала перегретой метастабильной скважинной жидкости.

Для предотвращения аварии в скважине при сохранении уровня термохимического воздействия возможным решением является размещение воздушной имплозионной камеры на удалении от источника тепловой энергии или ее открытие с запаздыванием, когда произойдет снижение температуры и давления до безопасного значения. Данное предложение является осуществимым при условии точного знания термодинамики процесса и особенно режимов изменений температуры и давления вблизи и в окрестностях источника тепловой энергии в скважине.

Как показывает практика, вблизи горения (и на небольшом удалении от зоны горения) мощного многосекционного порохового заряда процесс непрерывного измерения температуры и передачи измеренного значения для регистрации технически труднореализуемы и до сих пор такие попытки были неудачными [4]. Поэтому для предотвращения аварий необходимо использовать и более простое техническое решение. Оно представляет собой естественное продолжение вышеприведенного способа запуска фазовзрывного процесса.

Если для снижения температурного порога взрывообразного кипения скважинной жидкости и увеличения энергии фазовзрывного воздействия следует предельно минимизировать давление в имплозионной камере, то для ограничения мощности фазовзрывного процесса необходимо резко повысить давление в воздушной камере выше атмосферного. При этом, кроме общего снижения кинетической энергии, вводимое повышенное количество воздуха позволит уменьшить разрежение при подбрасывании столба скважинной жидкости и, следовательно, в какой-то мере уменьшить разницу между давлением в скважине и окружающим литостатическим давлением.

По сравнению с прототипом заявленное изобретение позволяет:

- снизить температурный порог запуска фазовзрывного процесса в скважине;

- предотвратить аварии на скважинах при использовании мощных пороховых зарядов;

- более эффективно очистить продуктивные пласты от глинистых образований и кольматантов;

- увеличить дебит скважин.

Источники информации

1. RU 2178065 С1, 10.12.2002.

2. Мартынюк М.М. Виновник глобальных катастроф. Техника молодежи, 9, М., 1991, с.34-37.

3. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М., 1972, с.312.

4. Кузнецов А.И. Разработка способов и средств для обработки призабойной зоны скважин, основаннных на применении геофизической аппаратуры на каротажном кабеле. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1999, с.200.

1. Способ фазовзрывного воздействия в скважине, включающий спуск в скважину источника тепловой энергии и имплозионной камеры, тепловое воздействие и запуск фазовзрывного процесса открытием имплозионной камеры, отличающийся тем, что имплозионную камеру открывают после достижения максимальной температуры скважинной жидкости в самом начале ее спада, при этом снижают температуру запуска фазовзрывного процесса, для чего используют имплозионную камеру с давлением ниже атмосферного.

2. Способ фазовзрывного воздействия в скважине, включающий спуск в скважину источника тепловой энергии и воздушной имплозионной камеры, тепловое воздействие и запуск фазовзрывного процесса открытием воздушной имплозионной камеры, отличающийся тем, что или воздушную имплозионную камеру размещают на удалении от источника тепловой энергии, где температура скважинной жидкости обеспечивает запуск фазовзрывного процесса, или воздушную имплозионную камеру открывают с запаздыванием, чем предотвращают чрезмерный энергетический потенциал фазовзрывного процесса с разрушением обсадной колонны и цементного камня, при этом мощность фазовзрывного процесса ограничивают путем использования воздушной камеры под давлением.