Способ интенсификации добычи углеводородов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности. Техническим результатом является упрощение способа и устройства интенсификации добычи углеводородов и повышение углеводородоотдачи пластов. Для этого импульсное воздействие на продуктивный пласт осуществляют энергией атмосферного электричества путем использования разряда молнии. При этом до инициирования грозового разряда измеряют напряженность электрического поля над скважиной с помощью блока измерения. Инициирование грозового разряда осуществляют при достижении величины напряженности электрического поля над скважиной не менее 30 кВ/м и достаточной для формирования лидерного канала молнии. Причем для исключения коронирования в качестве приемника электрической энергии используют металлическую мачту, на верхнем конце которой расположен металлический элемент сферической формы с гладкой внешней поверхностью, или используют гладкую металлическую проволоку с возможностью ее поднятия навстречу грозовому облаку. Выход приемника связан с обсадной колонной скважины. Мощный электрический заряд по обсадной колонне и через перфорированную ее часть попадает в область продуктивного пласта и растекается в нем. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способу и устройству интенсификации при скважинной добыче углеводородов путем электровоздействия на продуктивный пласт.

Известны способы интенсификации добычи углеводородов с помощью воздействия на пласт и на призабойную зону с помощью механических вибраций, с помощью гидродинамического воздействия при закачке растворов активных примесей, с помощью электромагнитных полей (СВЧ - излучения), с помощью постоянного и переменного электрического поля и др.

Все эти способы воздействия на коллектор либо имеют ограниченное применение с точки зрения геологического строения и физико-химического состава флюидов месторождения, либо мало доступны для применения из-за сложности технологического оборудования и самой технологии воздействия или невозможности доставки оборудования из-за удаленности месторождения.

Известен способ подземного выщелачивания, заключающийся в том, что для интенсификации процесса выщелачивания через массив пропускают электрический постоянный, или переменный, или импульсный ток (US, A, 4071278, кл. 299/53, 1978 г.).

В результате протекания электрохимических реакций, инициируемых пропусканием через среду, содержащую глину, электрического тока, происходит разрушение глинистых частиц, их вынос и, как следствие, увеличение проницаемости среды. Условием использования известного способа в целях увеличения проницаемости среды является наличие в обрабатываемой среде глины. Это существенно ограничивает область применения способа и не позволяет изменять проницаемость широкого класса пород-коллекторов.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому способу является способ интенсификации, при котором осуществляют предварительное определение геологофизических параметров призабойной зоны пласта для осуществления оптимального режима его импульсов электрообработки выбором соответствующих значений длительности импульсов, плотности тока в импульсе, скважности импульсов и времени импульсной обработки, после чего осуществляют импульсную электрообработку в установленном режиме (см. патент РФ №2208146, кл. Е 21 В 43/25 от 21.06.2002 г.).

Несмотря на определенные преимущества известного способа, его использование характеризуется относительной сложностью выполнения операций и требует наличия мощного источника электрической энергии, расположенного вблизи от скважины. Необходимость наличия высоковольтной линии электропередачи вблизи от скважины значительно усложняет реализацию известного способа.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для управления проницаемостью призабойной части скважины, содержащее средство воздействия на среду импульсным током, связанное с источником напряжения питания и управляемое блоком формирования управляющих импульсов, средство задания временных параметров импульсов, обеспечивающее выбор необходимого режима работы устройства, длительности импульсов и их скважности и блок измерения параметров импульсов тока в нагрузке, связанный с датчиком тока цепи нагрузки и средством задания временных параметров импульсов, а также блок гальванической развязки и блок синхронизации, причем средство задания временных параметров импульсов связано через блок гальванической развязки с блоком формирования управляющих импульсов, а блок синхронизации подключен к средству задания временных параметров импульсов для синхронизации с источником напряжения питания (см. свид. на ПМ №26079, кл. Е 21 В 43/00 от 12.07.2002).

Однако несмотря на определенные преимущества известного устройства, оно отличается относительной сложностью и требует использования мощного источника энергии, расположенного вблизи от скважины, что естественно значительно усложняет техническое осуществление добычи углеводородов.

Техническим результатом является упрощение способа и устройства интенсификации добычи углеводородов электровоздействием на продуктивный пласт и повышение углеводородоотдачи пластов.

Технический результат достигается тем, что в способе интенсификации добычи углеводородов, включающем формирование электрической энергии для импульсного воздействия на продуктивный пласт, осуществление электрического воздействия с контролем электрических параметров, согласно изобретению формирование электрической энергии для импульсного воздействия на продуктивный пласт осуществляют из энергии атмосферного электричества путем использования разряда молнии, кроме того, использование энергии атмосферного электричества при воздействии на продуктивный пласт начинают с инициирования грозового разряда, которое осуществляют при достижении напряженности электрического поля над скважиной величины не менее 30 кВ/м, а инициирование грозового разряда осуществляют путем приближения к грозовому облаку приемника электрической энергии, электрически связанного с обсадной колонной скважины, а также инициирование грозового разряда осуществляют путем ионизирования воздуха в области верхней части приемника электрической энергии.

Технический результат по второму изобретению достигается тем, что устройство для интенсификации добычи углеводородов содержит блок измерения и приемник электрической энергии атмосферного электричества, выход которого электрически связан с обсадной колонной скважины, кроме того, для инициирования грозового разряда приемник электрической энергии атмосферного электричества выполнен в виде металлической мачты, на верхнем конце которой расположен металлический элемент сферической формы с гладкой внешней поверхностью для исключения коронирования, а нижний конец металлической мачты является выходом приемника, а также для инициирования грозового разряда приемник электрической энергии выполнен в виде гладкой металлической проволоки, нижний конец которой является выходом приемника, а верхний конец механически связан с воздушным шаром, имеющим возможность подъема проволоки в вертикальное положение, помимо этого для инициирования грозового разряда приемник электрической энергии выполнен в виде гладкой металлической проволоки, нижний конец которой является выходом приемника, а верхний конец - механически связан с корпусом малой ракеты, способной поднять его навстречу грозовому облаку на высоту не менее 300 м, а блок измерения содержит прибор для дистанционного измерения напряженности электрического поля и прибор для измерения временных и электрических характеристик грозового разряда, кроме того, для инициирования грозового разряда дополнительно введен лазерный блок, луч которого направлен в верхнюю область пространства над металлическим элементом сферической формы приемника электрической энергии, согласно изобретению высота металлической мачты преимущественно равна 30 м, а металлический элемент имеет форму шарового насада с диаметром не менее 20 см.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение предложенного устройства вышеописанным образом значительно упрощает процесс интенсификации добычи и позволяет осуществить способ интенсификации добычи углеводородов, при котором используется энергия атмосферного электричества и исключается необходимость использования высоковольтных передач электроэнергии.

Сравнение предложенного способа и устройства с ближайшими аналогами позволяет утверждать о соответствии критерию “новизна”, а отсутствие отличительных признаков в аналогах говорит о соответствии “изобретательскому уровню”.

Предварительные испытания позволяют судить о возможности промышленного использования.

На чертеже представлена функциональная блок-схема предложенного устройства, реализующего заявляемый способ.

Способ интенсификации добычи углеводородов состоит из следующих операций.

Во-первых, осуществляют формирование (получение) электрической энергии для импульсного воздействия на продуктивный пласт, которую преобразуют из энергии атмосферного электричества.

Для эффективной реализации использования энергии атмосферного электричества инициируют грозовой разряд после достижения напряженности электрического поля над скважиной величиной не менее 30 кВ/м.

Инициирование грозового разряда необходимо осуществлять путем приближения к грозовому облаку приемника электрической энергии, который электрически связан с обсадной колонной скважины.

Кроме того, инициирование грозового разряда можно осуществлять путем ионизации воздуха в области верхней части приемника электрической энергии.

Устройство для интенсификации добычи углеводородов содержит блок 1 измерения и приемник 2 электрической энергии атмосферного электричества, выход которого электрически связан с обсадной металлической колонной 3 скважины, которая представляет собой трубу, отделенную от горной породы 4 слоем цемента 5. В скважине находится система 6 насосно-компрессорных труб (НКТ), по которой производят подъем флюида на поверхность. Затрубное пространство 7 заполнено флюидом.

Для инициирования грозового разряда приемник 2 электрической энергии атмосферного электричества выполнен в виде металлической мачты 8, на верхнем конце которой расположен металлический элемент 9 сферической формы с гладкой внешней поверхностью для исключения коронирования, а нижний конец металлической мачты 8 является выходом приемника 2.

Для увеличения вероятности попадания грозового разряда в мачту 8 приемника 2 и инициирования грозового разряда приемник 2 электрической энергии может быть выполнен в виде гладкой металлической проволоки 10, нижний конец которой является выходом приемника 2, а верхний конец - механически связан с воздушным шаром (на чертеже отсутствует), имеющим возможность подъема проволоки 10 в вертикальное положение, или с корпусом малой ракеты, способной поднять его навстречу грозовому облаку 17 на высоту не менее 300 м.

Блок 1 измерения должен содержать прибор для дистанционного измерения напряженности электрического поля и прибор для измерения временных и электрических характеристик грозового разряда (на чертеже отсутствуют).

Для инициирования грозового разряда может быть дополнительно введен лазерный блок 12, луч которого направлен в верхнюю область 13 пространства над металлическим элементом 9 сферической формы приемника 2 электрической энергии.

Следует отметить, что высота металлической мачты 8 преимущественно равна 30 м, а металлический элемент 9 имеет преимущественно форму шарового насада с диаметром не менее 20 см.

С помощью длиннофокусной оптики лазерный луч от блока 12 фокусируется вблизи верхней части мачты 8 над металлическим элементом 9 и при этом образуется ионизированная область воздуха.

Энергия образовавшегося грозового разряда 14 через металлическую мачту 8, обсадную колонну 3 попадает в продуктивный пласт 16, чему способствует перфорированная часть 15 обсадной колонны 3.

Суть заявленного способа заключается в том, чтобы заставить электрический заряд, который несет с собой молния, растекаться в продуктивном пласте 16. Следовательно, необходимо осуществить процесс получения или инициирования молнии и направление энергии молнии в продуктивный пласт 16. В заявленном изобретении получение энергии атмосферного электричества осуществляется с помощью металлической мачты 8, верхний конец которой оканчивается металлическим элементом 9 сферической формы с гладкой поверхностью. Для направления энергии молнии в продуктивный пласт 16 приемная мачта 8 электрически связана с обсадной колонной 3 скважины.

Молния представляет собой искровой разряд, в котором выделяют две основные фазы: лидерную и главную. В течение лидерной фазы в области сильного электрического поля в промежутке облако-земля образуется проводящий плазменный канал-лидер. В грозовой период в верхней части металлической мачты 8 образуется сильное электрическое поле, в этой области происходит сильная ионизация, превращающая нейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Это так называемый лидерный канал. Аналогично лидерный канал образуется и со стороны грозового облака 17. Встреча двух лидеров является началом главной стадии. Следовательно, верхняя часть металлической мачты 8 является инициатором лидерной фазы молнии за счет образования ионизированного шнура воздуха. В энергетическом отношении главная стадия наиболее мощная и именно эта фаза грозового разряда играет решающую роль в воздействии на продуктивный пласт 16.

Пример.

Представленный способ может быть реализован только в сезон грозообразования. Для реализации способа необходимо провести следующие работы. Отсоединить транспортную систему от скважины. Смонтировать металлическую мачту 8 высотой не менее 30 м с металлическим шаром с диаметром 20 см на верхнем конце мачты. Поверхность шара должна быть гладкой. Мачту необходимо электрически соединить с обсадной колонной 3 скважины и установить прибор для измерения напряженности электрического поля атмосферного электричества.

Для увеличения вероятности попадания грозового разряда в мачту 8 необходимо увеличить ее высоту. Для этого можно использовать тонкую металлическую проволоку 10, один конец которой электрически соединен с металлической обсадной колонной 3 скважины, а другой конец соединен с воздушным шаром, заполненным гелием. При подъеме воздушного шара вверх к грозовому облаку 17 металлическая проволока 10 принимает вертикальное положение. Такая конструкция приемной мачты 8 упрощает ее монтаж и позволяет поднять ее на значительную высоту и, следовательно, увеличить вероятность попадания молнии в приемную мачту 8.

Для увеличения вероятности попадания молнии в мачту 8 необходимо производить инициирование грозового разряда. Такое инициирование может быть осуществлено различным путем.

В первом способе инициирование грозового разряда производится с помощью малой ракеты 11, способной подняться на высоту 300 м и нести тонкую металлическую проволоку 10, другой конец которой электрически связан с обсадной колонной 3 скважины непосредственно или через мачту 8.

Второй способ инициирования состоит в использовании излучения импульсного лазера 12, способного ионизировать воздух в верхней части приемной мачты 8. Излучение лазера 12 фокусируется с помощью длиннофокусной оптики в верхней части приемной мачты 8. В качестве лазеров можно использовать лазеры с излучением света с длинной волны λ=248 нм с мощностью импульса порядка 1 ГВт. Способ осуществляется следующим образом. В отсутствии грозовой обстановки размещается и монтируется оборудование. Установленная металлическая мачта 8 с металлическим гладким шаром на верхнем ее конце в присутствии грозового облака не противодействует возбуждению молнии, в отличие от мачты, у которой нет гладкой металлической сферы на верхнем конце. Это обусловлено тем, что металлическая мачта 8 без гладкой металлической сферы на верхнем конце имеет острые кромки, что приводит к образованию коронного разряда, и, следовательно, противодействию грозовому разряду. Наличие короны на верхнем конце металлической мачты 8 приводит к противодействию грозовому разряду из-за того, что в этом случае электрическое поле на верхнем конце мачты 8 практически остается постоянным из-за отекания зарядов с острых кромок, а его величина не достаточна для образования восходящих лидеров грозового разряда. Размещение гладкой металлической сферы на верхнем конце приемной мачты 8 исключает возможность коронирования и, следовательно, снимается противодействие грозовому разряду, т.к. облегчается условие образования восходящего лидера грозового разряда.

При достижении показаний измерителя напряженности электрического поля атмосферного электричества величины 30 кВ/м производится запуск малой ракеты 11 навстречу грозовому облаку 17 на высоту 300 м и более, или направляется в верхнюю область 13 пространства над мачтой 8 импульсное лазерное излучение для ионизации воздуха.

Металлическая проволока 10, которую поднимает ракета, одним концом соединена с малой ракетой 11, а другим концом соединяется с верхним концом металлической мачты 8 и является проводником электрического тока грозового разряда, который ударяет в ракету.

Ракета, несущая за собой заземленную через мачту 8 тонкую проволоку 10, с большей вероятностью возбуждает молнию при подъеме на высоту, чем стационарно стоящая металлическая мачта 8. Это обусловлено тем, что около быстро движущейся ракеты 11 не успевает накапливаться заряд короны. Использование запуска малой ракеты с прикрепленной заземленной металлической тонкой проволокой 10 гарантирует возбуждение молнии в 60-70% случаев.

Разряд молнии, поразивший малую ракету 11, образует мощный электрический заряд, который по проволоке 10 попадает на вход обсадной колонны 3 скважины, а далее по обсадной колонне 3 и через перфорированную часть 15 обсадной колонны попадает в область продуктивного пласта 16. Проводимость обсадной металлической колонны 3 значительно больше, чем проводимость цемента, отделяющего ее от окружающего грунта. В результате большая часть электрического заряда достигает забойной части продуктивного пласта 16 и растекается в нем.

Другим способом инициирования грозового разряда является способ с использованием лазерного излучения. Считается, что действие лазерного излучения также сводится к преодолению негативного влияния короны. Плазменный канал, образованный лазерным излучением, в электрическом поле грозового облака 17 быстро увеличивает свою длину и, следовательно, выносит проводящую область за пределы объемного заряда короны.

Ионизацию воздуха можно осуществить короткими и мощными импульсами ультрафиолетового излучения. К нему добавляется импульсное излучение другого лазера с большей длиной волны. Благодаря такому сочетанию излучение лазеров тратится только на ионизацию и, следовательно, можно использовать лазеры с меньшей мощностью излучения. Благодаря действию лазерных излучений разной длины волны в верхней части приемной мачты 8 образуется ионизированная область воздуха, которая является началом лидера.

Для ионизации можно использовать лазер с длиной волны λ=248 нм (четвертая гармоника Nd-лазера, усиленная эксимером KrF) с длительностью 10 пс с энергией 10 мДж (мощность 1 ГВт). На этот луч накладывается импульс лазера на александрите с длиной волны (λ=750 нм, 0,2 Дж, 2 мкс). Возможно использование азотного лазера для ионизации и образования лидера. После инициирования молнии главная часть грозового разряда 14 попадает в мачту 8, которая электрически соединена с обсадной колонной 3 скважины. Большая часть электрического тока проходит по металлической обсадной колонне 3 в силу того, что проводимость металла много больше, чем цемента, отделяющего обсадную колонну 3 от грунта.

Далее в забойной части продуктивного грунта образуется объемный заряд, который является источником неоднородного электрического поля в продуктивном пласте. Благодаря большей электропроводности перового пространства, заполненного флюидом, чем скелета пласта, объемный заряд растекается по пласту. Неоднородное электрическое поле и растекание униполярного электрического заряда в пласте интенсифицируют электрокинетические явления (см. Тихомолова К.П. Электроосмос. -Л.: Химия 1989. - 248 с.), которые приводят к положительному эффекту повышению дебита, уменьшению обводненности продукции, увеличению нефтеотдачи продуктивного пласта. Использование блока 1 измерения параметров грозового разряда 14 позволит уточнить величину и продолжительность положительного эффекта при воздействии на продуктивный пласт при добыче углеводородов.

Благодаря использованию энергии грозового разряда, величина которой значительно больше энергии, используемой в существующих технологиях электровоздействия, положительные эффекты электровоздействия на продуктивный пласт с использованием энергии молнии проявятся значительно ярче.

Таким образом, использование энергии атмосферного электричества в практике добычи углеводородов по сравнению с существующими технологиями обладает существенными преимуществами:

- используется дармовая возобновляемая энергия атмосферного электричества,

- относительная простота реализации способа электровоздействия на продуктивный пласт,

- возможность получения огромного количества энергии в течение малого времени,

- импульсное электровоздействие на продуктивный пласт является наиболее эффективным, поэтому естественный импульсный характер грозового разряда исключает необходимость использования специальной аппаратуры для получения импульсного тока большой мощности, что также приводит к значительному упрощению способа электровоздействия на продуктивный пласт,

- использование атмосферного электричества исключает использование дизельных электрогенераторов, линий электропередач, различных преобразователей электрической энергии, что позволяет использовать метод электровоздействия на продуктивный пласт в труднодоступных промысловых районах,

- использование большой энергии атмосферного электричества продлевает действие положительного эффекта, что позволяет увеличить промежуток времени между процессами электровоздействия на продуктивный пласт.

1. Способ интенсификации добычи углеводородов, заключающийся в формировании электрической энергии для импульсного воздействия на продуктивный пласт из энергии атмосферного электричества путем использования разряда молнии после инициирования грозового разряда на приемник электрической энергии и передачи ее на обсадную колонну скважины, отличающийся тем, что до инициирования грозового разряда измеряют напряженность электрического поля над скважиной и инициирование грозового разряда осуществляют при достижении величины напряженности электрического поля не менее 30 кВ/м, достаточной для формирования лидерного канала молнии, причем в качестве приемника электрической энергии используют металлическую мачту, на верхнем конце которой расположен металлический элемент сферической формы с гладкой внешней поверхностью для исключения коронирования или используют гладкую металлическую проволоку с возможностью ее поднятия навстречу грозовому облаку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициирование грозового разряда осуществляют путем ионизирования воздуха в области верхней части приемника электрической энергии.

3. Устройство для интенсификации добычи углеводородов, характеризующееся тем, что оно содержит блок измерения и приемник электрической энергии атмосферного электричества, выход которого электрически связан с обсадной колонной скважины, причем приемник электрической энергии атмосферного электричества выполнен в виде металлической мачты, на верхнем конце которой расположен металлический элемент сферической формы с гладкой внешней поверхностью для исключения коронирования, а нижний конец металлической мачты является выходом приемника, или в виде гладкой металлической проволоки, нижний конец которой является выходом приемника, а верхний конец механически связан с воздушным шаром, имеющим возможность подъема проволоки в вертикальное положение, или в виде гладкой металлической проволоки, нижний конец которой является выходом приемника, а верхний конец механически связан с корпусом малой ракеты, способной поднять его навстречу грозовому облаку.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок измерения содержит прибор для дистанционного измерения напряженности электрического поля и прибор для измерения временных и электрических характеристик грозового разряда.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для инициирования грозового разряда дополнительно введен лазерный блок, луч которого направлен в верхнюю область пространства над металлическим элементом сферической формы приемника электрической энергии.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что высота металлической мачты преимущественно равна 30 м.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что металлический элемент сферической формы выполнен с диаметром не менее 20 см.