Способ длинноволнового воздействия на нефтяную залежь и устройство для его осуществления

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при разработке нефтяных залежей, в том числе и на поздних стадиях их эксплуатации для увеличения добычи нефти и повышения нефтеотдачи пласта. Обеспечивает повышение интенсификации добычи нефти за счет увеличения нефтеотдачи залежи путем генерации упругих волн большой длины и эффективности их возбуждения из нагнетательных или добывающих скважин. Сущность изобретения: по способу возбуждают колебания давления жидкости в стволе скважины. Согласно изобретению заполняют рабочей жидкостью все скважинное пространство и поддерживают в нем давление. Генерируют в устье скважины упругую ударную волну путем импульсной закачки дополнительного дозированного объема жидкости. Поддерживают колебания столба жидкости в скважине с сохранением энергетических параметров колебательного процесса. Формируют длинноволновые упругие сейсмические волны, облучающие нефтяную залежь. Устройство включает энергоноситель, передвижной насосный агрегат с емкостью для рабочей жидкости и гидроударный механизм, выполненный в виде гидроцилиндра с бесштоковым поршнем, разделяющим его на две полости, одна из которых соединена с полостью скважины и с передвижным насосным агрегатом, а другая соединена с энергоносителем. Согласно изобретению соединение гидроударного механизма с передвижным насосом выполнено через обратный клапан, а с энергоносителем - через импульсный клапан или через разрядную камеру. Импульсный клапан включает корпус с входным и выходным патрубками. Внутри корпуса расположен дифференциальный поршень, шток которого является запорным элементом проходного отверстия, в закрытом состоянии который удерживается пружиной, размещенной в бесштоковой полости. На крышке корпуса закреплен нормально-закрытый клапан с электроуправлением для соединения при его открытии бесштоковой полости с полостью выходного патрубка. Бесштоковая и штоковая полости импульсного клапана соединены с полостью входного патрубка через дроссельные отверстия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при разработке нефтяных залежей, в том числе и на поздних стадиях их эксплуатации для увеличения добычи нефти и повышения нефтеотдачи пласта.

Для воздействия на продуктивный пласт с целью повышения нефтеотдачи используют различные способы и устройства. Известен, например, способ обработки нефтяных пластов (патент RU №2089726, кл. Е21В 43/25) путем возбуждения колебаний в скважине, при этом в качестве источника гидроимпульсов используется перепад гидростатического давления в насосно-компрессорных трубах и в межтрубном пространстве скважины. При этом длительность импульсов в одном цикле не должна превышать удвоенного времени пробега волны от источника до свободной поверхности в межтрубном пространстве. Указанный способ осуществляется при помощи устройства, например, золотникового типа, расположенного на штанге погружного насоса, обеспечивающего периодический контакт жидкости в насосно-компрессорных трубах и в межтрубном пространстве.

Основным недостатком известного способа является то, что для его осуществления необходимо разместить импульсное устройство в объеме скважины и на ее различной глубине, что представляет сложную техническую проблему.

Известны также способ и устройство для волнового воздействия на залежь (патент RU №2105143, кл. Е21В 43/25, 28/00) путем нанесения ударов падающим грузом по наковальне, размещенной в скважине и выполненной в виде плунжера, а волновое воздействие на залежь осуществляют через слой жидкости в скважине под плунжером. Воздействие на залежь осуществляют с помощью устройства, содержащего установленную в скважине колонну труб, на конце которой в цилиндре размещен плунжер-наковальня с ограничением его перемещения. При действии пластового давления на плунжер он находится в верхнем положении. Над плунжером в колонне труб помещен падающий груз с тяговым механизмом для его подъема и опускания, например станок качалка или лебедка. Удар падающего груза о плунжер-наковальню обеспечивает возникновение в пласте упругих колебаний, которые достигают окружающих эксплуатационных скважин. Совпадение направления потока жидкости и упругих колебаний в пласте способствует более полному отбору нефти из залежи.

Недостатком известного способа является трудоемкость процесса, связанного с оборудованием скважины. Интервал ударов, а также длительность импульса в одном цикле не согласуется со временем пробега ударной волны от плунжера до забоя и обратно, в результате чего снижается эффект возбуждения волновых процессов в продуктивном пласте, а также исключен важный процесс создания в зоне фильтра и на забое импульсного давления репрессии-депрессии.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является технология использования источника инфразвуковых колебаний для интенсификации добычи нефти (журнал "Каротажник", №3-4 (130-131), Тверь, 2005 г., стр.171-175). Суть указанной технологии заключается в том, что инфразвуковое возбуждение в призабойной зоне обеспечивается резонансным колебанием столба жидкости в скважине в сверхнизком частотном диапазоне, а возбуждение таких колебаний осуществляют устьевым генератором импульсов давления. Принцип работы генератора основан на нагнетании в скважину статического давления для сжатия столба жидкости, а через заданный промежуток времени снимают нагрузку путем создания гидрораспределителем АОРС импульсов давления в скважине с частотой не более 4 Гц.

Недостатком известной технологии является то, что статическое нагружение столба жидкости для его сжатия требует достаточно большого давления (до 20 МПа), для чего необходим мощный насосный агрегат с системой подвода высокого давления. Кроме того, частота повторения импульсов давления при разгрузке не может совпадать с фазами пробега ударной волны при колебании столба жидкости, а это снижает энергетический эффект инфразвукового колебания и эффективность возбуждения. Наконец, при таком возбуждении отсутствуют импульсы давления репрессии-депрессии в призабойной зоне скважины.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и повышение интенсификации добычи нефти за счет увеличения нефтеотдачи залежи путем генерации упругих волн большой длины и эффективности их возбуждения из нагнетательных или добывающих скважин, которые способны облучать значительную часть нефтяной залежи и изменять фильтрационную и структурно-механическую природу продуктивного пласта.

Поставленная задача решается группой изобретений, включающей способ длинноволнового воздействия на нефтяную залежь и устройство для осуществления указанного способа. Способ длинноволнового воздействия на нефтяную залежь включает возбуждение колебаний столба жидкости, заключенной в скважине, для этого скважину заполняют рабочей жидкостью и поддерживают небольшое давление (0,3-0,6 МПа), после чего генерируют в устье скважины упругую ударную волну (гидравлический удар) методом импульсной закачки дополнительного дозированного объема жидкости, энергия которой возбуждает колебательный процесс столба с частотой колебания, равной: f=C/4L, где L - глубина скважины, С - скорость распространения ударной волны в трубопроводе, при этом на забое и в околоскважинном пространстве создаются импульсы давления репрессии-депрессии относительно пластового давления с той же частотой следования, а потенциальная энергия сжатой жидкости и кинетическая энергия гидропотока формируют длинноволновые упругие колебания с длиной волны, равной: λ=4La/C, где a - скорость распространения продольной сейсмической волны в продуктивном пласте, облучающие обширную зону нефтяной залежи.

Способ реализуется с помощью устройства для длинноволнового воздействия на нефтяную залежь, включающего энергоноситель, например, гидропневмоаккумулятор или разрядную камеру с генератором импульсов тока, передвижной насосный агрегат с емкостью для рабочей жидкости, гидроударный механизм, выполненный в виде гидроцилиндра с бесштоковым поршнем, разделяющим его на две полости, одна из которых соединена с полостью скважины и через обратный клапан с передвижным насосным агрегатом, другая полость соединена с энергоносителем через импульсный клапан или через разрядную камеру. Импульсный клапан включает корпус с входным и выходным патрубками, внутри корпуса расположен дифференциальный поршень, шток которого является запорным элементом проходного отверстия, в закрытом состоянии который удерживается пружиной, размещенной в бесштоковой полости, а на крышке корпуса закреплен нормально-закрытый клапан с электроуправлением и соединяющий при его открытии бесштоковую полость с полостью выходного патрубка, при этом бесштоковая и штоковая полости импульсного клапана соединены с полостью входного патрубка через дроссельные отверстия.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показан график процесса импульсов давления репрессии-депрессии.

Гидроимпульсный генератор включает в себя: энергоноситель 1, состоящий из гидроаккумулятора 2, насосной станции 3 с контрольно-регулирующей аппаратурой и известной системой автоматической подзарядки, клапан импульсный 4, соединенный с энергоносителем 1 и состоящий из корпуса 5 с входным патрубком А и выходным патрубком Б, в котором размещены дифференциальный поршень 6 с запорным элементом 7 на конце его штока, пружина 8 и дроссельные отверстия 9, а на крышке корпуса 5 расположен клапан 10 с электромагнитным управлением и соединяющий при его открытии бесштоковую полость F₁ с полостью выходного патрубка Б, которая соединена с емкостью насосной станции 3 через клапан 11, управляемый датчиком давления 25 и с гидроударным механизмом. Гидроударный механизм представляет собой гидроцилиндр 12, в котором имеются две полости 13 и 14, разделенные бесштоковым поршнем 15, первая из них соединена с импульсным клапаном 4, а полость 14 соединена со скважиной 16 через трубопровод 17 и фонтанную арматуру 18 и с насосом 19 передвижного агрегата через рукав 20 и обратный клапан 21. Полость скважины 16 через фонтанную арматуру соединена с емкостью 22 через перепускной клапан 23 с электромагнитным управлением от команды импульсного датчика давления 26, контролирующего импульсное давление в скважине 16, и рукав 24.

Гидроимпульсный генератор к работе подготавливают следующим образом. Заряжают гидроаккумулятор 2 высоким давлением, которое через запорное устройство или без него поступает под запорный элемент 7 и через дроссельные отверстия 9 в штоковую F₂ и бесштоковую F₁ полости дифференциального поршня б импульсного клапана 4. В результате действия силы пружины 8 и активной площади ΔF поршня 6 (ΔF=F₁-F₂), запорный элемент 7 находится в закрытом состоянии и удерживает высокое давление жидкости энергоносителя 1. Затем заполняют скважину 16 рабочей жидкостью от насоса 19 передвижного агрегата посредством рукава 20 через обратный клапан 21 и через полость 14 гидроударного механизма. При этом в полости 14 поддерживают небольшое постоянное давление (порядка 0,3-0,6 МПа). После проведения указанных работ гидроимпульсный генератор 4 готов к запуску.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. По команде от пульта управления включают электромагнит клапана 10, соединяющего полость F₁ с полостью Б патрубка. В результате давление в полости F₁ резко падает, запорный элемент 7 открывается и жидкость от энергоносителя 1 с большой скоростью и под большим давлением устремляется в полость 13 гидроударного механизма, перемещая поршень 15. Стремительное перемещение поршня 15 создает в дозированном объеме 14 импульсное давление с высокой энергией, которая передается по трубопроводу 17 в скважину 16, заполненную рабочей жидкостью, формируя при этом в устье упругую ударную волну (гидравлический удар) и гидропоток со скоростью U_Ж распространения вдоль ствола скважины. Ударная волна с давлением Р_И на ее фронте также начнет перемещаться к забою со скоростью U_B=C-U_Ж, где С - скорость распространения ударной волны в трубопроводе. В момент достижения дна забоя скважины ударная волна отразится и со скоростью U_B=C+U_Ж начнет перемещаться в обратном направлении, при этом в момент отражения ударной волны давление возрастает в два раза, т.е. 2Р_И. В результате действия удвоенного давления произойдет упругое сжатие жидкости в скважине, а ее потенциальная и кинетическая энергия гидропотока формируют длинноволновые упругие волны с большим радиусом действия. Например, при а=2000 м/с (для суглинков) и С=1300 м/с (для воды) и глубине скважины L=2000 м длина волны составит: λ=4La/C=4×2000×2000/1300=12000 м. После этого удвоенное давление начнет перемещаться в обратоном направлении и в момент достижения устья скважины при открытом перепускном клапане 23 произойдет выброс скважинной жидкости и весь колебательный процесс повторится с постепенным затуханием, создавая при этом на забое и в околоскважинном пространстве импульсное давление репрессии-депрессии относительно пластового давления по закону колебания давления в трубопроводе при гидравлическом ударе, показанному на графике на фиг.2. Если обозначить на этом графике время пробега "лба" волны от устья до забоя через t₀=L/C, то в момент времени t₁=t₀, отсчитываемого от момента импульсного значения, вся скважина будет находиться под давлением 2Р_И. В момент времени t₂=2t₀, давление в скважине упадет до нуля относительно пластового давления, в момент времени t₃=3t₀ из скважины произойдет выброс жидкости и давление упадет до значения "-2Р_И" вплоть до разрыва сплошности столба, в момент времени t₄=4t₀ давление в трубе будет равным нулю и т.д., колебательный процесс повторится с постепенным затуханием. Таким образом, полный период колебания давления в любом сечении скважины будет равным T=4t₀=4L/C.

Для поддержания продолжительности колебания давления жидкости в скважине с сохранением или увеличением энергии колебательного процесса импульсную закачку дозированным объемом, при открытом перепускном клапане 23, осуществляют с интервалом времени t₄=4L/C, то есть после выброса скважинной жидкости.

Увеличение энергии колебательного процесса столба жидкости в скважине осуществляют путем увеличения дозированного объема или путем многократной импульсной закачкой небольшого дозированного объема при закрытом перепускном клапане 23. После совершения некоторого числа закачек давление в скважине возрастет до контрольной отметки, столб жидкости соответственно давлению сожмется, приобретая значительную потенциальную энергию. На контрольной отметке в момент времени t₂=2L/C импульсный датчик 26 давления сработает и по его команде перепускной клапан 23 откроется. В результате произойдет выброс большого объема скважинной жидкости, а столб жидкости начнет колебаться с требуемыми энергетическими параметрами.

Подача объема жидкости от энергоносителя 1 в полость 13 перемещает поршень 15 и в момент его останова давление в полостях выходного Б и входного А патрубков, а также в полости F₁ уравняются и в этот момент дифференциальный поршень 6 под действием пружины 8 переместится вниз, а запорное устройство 7 перекроет поступление жидкости от энергоносителя 1. Одновременно с этим по команде датчика давления 25 отключается электромагнит клапана 10 и включается электромагнит клапана 11 и жидкость из полости 13 вытесняется поршнем 15 через клапан 11 в емкость насосной станции 3. Заданное давление жидкости в гидроаккумуляторе 2, формирующее гидроимпульсы, восполняется подзарядкой от насосной станции 3.

Предлагаемое устройство - гидроимпульсный генератор можно сочетать с физико-химическими и другими методами воздействия на продуктивный пласт, а длинные волны вовлекают в разработку низкопроницаемые слои и застойные зоны продуктивного пласта.

Предлагаемые способ и устройство позволяют облучить сейсмическими волнами достаточно большой энергии значительную часть нефтяной залежи как из нагнетательных, так и из добывающих скважин, произвести очистку порового пространства призабойной зоны продуктивного пласта, создать новые и развить старые микротрещины, повышающие проводимость пластовой жидкости и за счет этого существенно увеличить нефтеотдачу.

1. Способ длинноволнового воздействия на нефтяную залежь, включающий возбуждение колебаний давления жидкости в стволе скважины, отличающийся тем, что заполняют рабочей жидкостью все скважинное пространство и поддерживают в нем давление, порядка 0,3-0,6 МПа, после этого генерируют в устье скважины упругую ударную волну - гидравлический удар путем импульсной закачки дополнительного дозированного объема жидкости при открытом перепускном клапане с интервалом времени t, равным:

t=4L/C,

где L - глубина скважины;

С - скорость распространения ударной волны в трубопроводе для поддержания колебаний столба жидкости в скважине с сохранением энергетических параметров колебательного процесса и колебаний давления жидкости в скважине с частотой f, равной:

f=C/4L,

и создания на забое и в околоскважинном пространстве импульсов депрессии относительно пластового давления с такой же частотой следования, при этом формируют длинноволновые упругие сейсмические волны, облучающие нефтяную залежь, с длиной волны λ, равной:

λ=4La/C,

где а - скорость распространения длинноволновой упругой сейсмической волны в нефтяной залежи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что увеличение энергетических параметров колебательного процесса столба жидкости осуществляют путем увеличения дозированного объема при открытом перепускном клапане или многократной импульсной закачкой дозированного объема при закрытом перепускном клапане, а на контрольной отметке импульсного давления в скважине перепускной клапан открывают в момент времени t₂=2L/C.

3. Устройство для длинноволнового воздействия на нефтяную залежь, включающее энергоноситель, передвижной насосный агрегат с емкостью для рабочей жидкости и гидроударный механизм, выполненный в виде гидроцилиндра с бесштоковым поршнем, разделяющим его на две полости, одна из которых соединена с полостью скважины и с передвижным насосным агрегатом, а другая соединена с энергоносителем, отличающееся тем, что соединение гидроударного механизма с передвижным насосом выполнено через обратный клапан, а с энергоносителем - через импульсный клапан или через разрядную камеру, при этом импульсный клапан включает корпус с входным и выходным патрубками, внутри корпуса расположен дифференциальный поршень, шток которого является запорным элементом проходного отверстия, в закрытом состоянии который удерживается пружиной, размещенной в бесштоковой полости, а на крышке корпуса закреплен нормально-закрытый клапан с электроуправлением для соединения при его открытии бесштоковой полости с полостью выходного патрубка, при этом бесштоковая и штоковая полости импульсного клапана соединены с полостью входного патрубка через дроссельные отверстия.