Способ волновой обработки продуктивного пласта и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к горной промышленности и может быть использована для повышения нефтеотдачи пластов при эксплуатации нефтяных скважин. Обеспечивает повышение нефтеотдачи путем высокоэнергетического воздействия через скважину на продуктивный пласт. Устройство включает цилиндр и размещенный в нем с возможностью осевого перемещения плунжер, соединенный с внешним приводом возвратно-поступательного перемещения посредством тяги с внутренним каналом. Цилиндр и плунжер установлены с возможностью образования изолированной подплунжерной камеры. Плунжер выполнен в виде опрокинутого стакана с окнами на боковой и торцевой поверхностях и снабжен размещенным в канале тяги воздушным клапаном и установленным на верхней торцевой части плунжера переливным клапаном. Способ включает установку и закрепление в обсаженной скважине плунжерной пары и периодическое гидродинамическое воздействие на пласт путем изменения давления в подплунжерной камере. Ее герметизируют от пласта и межтрубного пространства и сообщают с атмосферой при ходе плунжера вверх, а в конце хода плунжера вверх - со столбом заполняющей скважину жидкости, при ходе плунжера вниз сообщают эту камеру с межтрубным пространством. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к отраслям добывающей промышленности, связанным с добычей флюида из скважин в процессе разработки залежи с применением погружных штанговых насосов, и может быть использовано для повышения нефтеотдачи пластов при эксплуатации нефтяных скважин.

Известны способы повышения нефтеотдачи путем волнового воздействия на продуктивный пласт, например, по патенту РФ №2136851 (МПК 6 Е21В 43/00, опубл. 10.09.1999) и по патенту US №6015010 (МПК 7 Е21В 43/25, опубл. 10.09.1997). В данных способах используются динамические эффекты, связанные с работой погружных штанговых насосов. При возвратно-поступательном движении плунжера насоса под действием внешнего, расположенного на устье скважины привода, например, станка-качалки, происходит изменение амплитудных значений действующего на забой скважины усилия, преобразуемого в упругие колебания пласта, обеспечивающие увеличение нефтеотдачи.

Недостаток известных технических решений заключается в ограниченной мощности создаваемых упругих колебаний, обусловленной тем, что сброс жидкости, находящейся под давлением в надплунжерном пространстве и насосно-компрессорных трубах, осуществляется в забойную зону, постоянно находящуюся под статическим давлением столба жидкости в межтрубном пространстве. При этом амплитудное изменение давления на забой, а следовательно, и мощность волнового воздействия определяются разницей давлений в насосно-компрессорных трубах и забойной зоне, что при реальных параметрах используемого оборудования составляет только доли от забойного давления.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому эффекту является способ по патенту РФ №2075596 (МПК Е21В 43/25, 28/00, 43/16, опубл. 20.03.1997), заключающийся в следующем. В обсаженную эксплуатационной колонной скважину на насосно-компрессорных трубах опускают цилиндр и закрепляют его в зоне пласта. В цилиндре размещают связанный со станком-качалкой плунжер, установленный с возможностью его осевого перемещения и выхода из цилиндра в крайнем верхнем положении. После монтажа устройства и заполнения скважины жидкостью включают в работу станок-качалку. При ходе плунжера вверх происходит сжатие жидкости в насосно-компрессорных трубах, а при подходе плунжера к крайнему верхнему положению сжатая жидкость сбрасывается из насосно-компрессорных труб в эксплуатационную колонну. В момент сброса жидкости в эксплуатационной колонне образуется ударная волна, которая достигает забоя скважины и вызывает упругие колебания в продуктивном пласте.

Недостатком известного способа, также как и способов по патентам РФ №2136851 и US №6015010, является невысокая мощность создаваемых упругих колебаний.

Для реализации способов волнового воздействия на залежь используются различные устройства. Известен скважинный штанговый насос по патенту РФ №2138620 (МПК 6 Е21В 43/00, опубл. 27.09.1999), включающий цилиндр с всасывающим клапаном и перегородкой с отверстиями, плунжер с нагнетательным клапаном, подвижная часть которого снабжена ступенчатым хвостовиком со сквозным осевым каналом и дополнительным нагнетательным клапаном. Толстая часть ступенчатого хвостовика и перегородка цилиндра выполнены в виде золотниковой пары.

Устройство по патенту РФ №2138620 позволяет использовать насос не только для откачки скважинных флюидов, до и для имплозионного воздействия на пласт.

Недостатком известного устройства, также как и способов, для реализации которых оно используется, является ограниченная мощность создаваемых упругих колебаний.

Известно устройство по патенту РФ №2075596 (МПК 6 Е21В 43/25, 28/00, 43/16, опубл. 20.03.1997), включающее подъемный механизм в виде станка-качалки, колонну насосно-компрессорных труб, цилиндр с посадочным седлом, установленным на конце насосно-компрессорных труб, плунжер, установленный в цилиндре с возможностью осевого перемещения и выхода из цилиндра в крайнем верхнем положении, центратор, установленный между колонной насосно-компрессорных труб и цилиндром, подзарядное устройство, емкость и штанги со штоком, один конец которых связан со станком-качалкой, а другой - с плунжером.

Известное устройство позволяет повысить мощность упругих колебаний в залежи и оптимизировать количество применяемых устройств при снижении затрат на изготовление и обслуживание устройства.

Недостатком устройства по патенту РФ №2075596 является сложность его конструкции, а следовательно, невысокая надежность. Кроме того, как и устройство по патенту РФ №2138620, данное устройство не может исключить воздействие давления столба жидкости в межтрубном пространстве, чтобы обеспечить максимальное значение мощности создаваемых упругих колебаний.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении нефтеотдачи путем высокоэнергетического воздействия через скважину на продуктивный пласт за счет создания максимально возможного перепада передаваемого на пласт давления жидкости, возникающего при гидравлических ударах от периодических подъемов и сбросов столба заполняющей скважину жидкости, осуществляемых при возвратно-поступательных перемещениях относительно установленного в скважине цилиндра плунжера, связанного с внешним приводом.

Поставленная задача решается тем, что в способе волновой обработки продуктивного пласта, включающем установку и закрепление в обсаженной скважине плунжерной пары, включающей цилиндр и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения плунжер, связанный посредством тяги с внешним приводом, и периодическое передаваемое на пласт гидродинамическое воздействие путем изменения давления в образованной цилиндром и плунжером подплунжерной камере, указанную подплунжерную камеру герметизируют от пласта и межтрубного пространства и сообщают с атмосферой при ходе плунжера вверх, а в конце хода плунжера вверх - со столбом заполняющей скважину жидкости, при ходе плунжера вниз сообщают эту камеру с межтрубным пространством.

Приведенная последовательность операций позволяет существенно повысить мощность волнового воздействия на продуктивный пласт за счет полного использования эффекта гидравлического удара столба заполняющей скважину жидкости в подплунжерной камере, поскольку до нанесения гидравлического удара давление в ней равно атмосферному.

Целесообразно параметры гидродинамического воздействия на забой подбирать путем применения жидкостей с разной плотностью, изменения высоты столба заполняющей скважину жидкости, хода плунжера и частоты воздействий привода на плунжер. Это позволит еще больше повысить мощность волнового воздействия и применять способ для различных условий разработки конкретных продуктивных пластов.

Предлагаемое для реализации способа волновой обработки продуктивного пласта устройство включает цилиндр и размещенный в нем с возможностью осевого перемещения плунжер, соединенный с внешним приводом возвратно-поступательного перемещения посредством тяги с внутренним каналом. В отличие от прототипа в данном устройстве цилиндр и плунжер установлены с возможностью образования изолированной подплунжерной камеры, а плунжер выполнен в виде опрокинутого стакана с окнами на боковой и торцевой поверхностях и снабжен размещенным в канале тяги воздушным клапаном и установленным на верхней торцевой части плунжера переливным клапаном.

Воздушный клапан в канале тяги обеспечит поступление атмосферного воздуха в подплунжерную камеру при ходе плунжера вверх и, наоборот, препятствует попаданию жидкости из этой камеры в канал тяги при ходе плунжера вниз. Окна на боковой поверхности плунжера обеспечивают поступление жидкости из межтрубного пространства в подплунжерную камеру при подходе плунжера к крайнему верхнему положению. Переливной клапан и окна в торцевой части плунжера обеспечивают переток жидкости из подплунжерной камеры при ходе плунжера вниз.

Целесообразно тягу выполнить в виде двух элементов, соединенных между собой посредством муфты с каналом. Верхний элемент целесообразно выполнить сплошным, а размещенный со стороны плунжера нижний элемент - с внутренним каналом. При этом длина нижнего элемента должна быть такой, чтобы обеспечивать сообщение муфты с атмосферой при любом положении плунжера.

Это позволит повысить прочность верхнего элемента, например, за счет использования стального каната с высокой несущей способностью. В этом случае предлагаемое устройство может быть использовано для работы в более глубоких скважинах.

Целесообразно снабдить цилиндр устройства изолирующим пакером.

Использование изолирующего пакера позволит изолировать продуктивный пласт от межтрубного пространства, изменяя тем самым высоту столба заполняющей скважину жидкости для получения необходимого усилия воздействия на пласт вне зависимости от внутрипластового давления, что значительно расширит область применения предлагаемого устройства.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для волновой обработки продуктивного пласта, на фиг.2 - графики перемещения плунжера и изменения давления в подплунжерной камере в зависимости от времени.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

В обсаженную скважину 1 (фиг.1) опускают плунжерную пару и закрепляют, например, с помощью хвостовика, пакер-якоря 2 или цементного моста, цилиндр 3 в зоне продуктивного пласта 4, обеспечивая изолированность от пласта и межтрубного пространства подплунжерной камеры 5, образованной цилиндром 3 и плунжером 6. Плунжер 6 с помощью полой тяги 7, внутренний канал которой в верхней части постоянно сообщен с атмосферой, соединяют с внешним приводом 8, например, станком-качалкой, возвратно-поступательного движения. Скважину заполняют жидкостью на расчетную высоту Н_ж.

В исходном состоянии плунжер 6 находится в крайнем нижнем положении, а давление жидкости в подплунжерной камере 5 и межтрубном пространстве 9 одинаково и равно ρgH_ж, где ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения. При начале движения плунжера 6 вверх под действием привода 8 камера 5 через клапан 10 и канал тяги 7 соединяется с атмосферой и давление в ней падает до атмосферного Р_а, оставаясь неизменным на всем пути хода плунжера, равном h-h₀ (фиг.2). В момент выхода окон 11 плунжера 6 за торец 12 цилиндра 3 происходит сброс жидкости из межтрубного пространства 9 в камеру 5 и давление в ней возрастает до максимального Р_max=ρgH_ж+ΔР, где ΔР - приращение давления в камере за счет удара струи жидкости со скоростью V о торец 13 камеры 5. Возникающая при этом сила передается на продуктивный пласт 4, вызывая в нем волновые колебания. Отраженная от торца 13 камеры 5 волна со скоростью С движется по скважине вверх. Достигнув устья скважины, отраженная волна меняет свое направление и наносит повторный удар по торцу камеры 5. Далее процесс движения ударной волны повторяется, при этом скачки давлений в камере 5 при каждом последующем воздействии уменьшаются.

Иллюстрируют этот процесс графики на фиг.2, где 1 - график перемещения h плунжера, 2 - график изменения давления ρ в камере 5, t - время, t_ц - время цикла, h₀ - ход плунжера при сообщении камеры 5 с межтрубным пространством 9.

После достижения крайнего верхнего положения и последующего хода плунжера 6 вниз жидкость из камеры 5 через окна 14 в торце плунжера 6 и переливной клапан 15 вытесняется в межтрубное пространство 9. После опускания плунжера 6 в крайнее нижнее положение цикл повторяется.

Предлагаемое устройство для волновой обработки продуктивного пласта включает цилиндр 3 и размещенный в нем с возможностью осевого перемещения плунжер 6. Плунжер 6 соединен с внешним приводом возвратно-поступательного перемещения 8 посредством тяги 7 с внутренним каналом. Цилиндр 3 и плунжер 6 установлены с возможностью образования изолированной подплунжерной камеры 5. На боковой поверхности плунжера 6 выполнены окна 11, а на его торцевой поверхности - окна 14. В нижней части внутреннего канала тяги 7 размещен воздушный клапан 10, а в верхней торцевой части плунжера 6 - переливной клапан 15. Плунжер может быть выполнен в виде сплошного верхнего элемента 16 и нижнего элемента 7 с внутренним каналом, соединенных между собой посредством муфты 17.

Работа предлагаемого устройства описана в примере реализации способа волновой обработки продуктивного пласта.

Оптимальные параметры волновой обработки продуктивного пласта в каждом конкретном случае определяют на стадии пусконаладочных работ по результатам геофизических и промысловых измерений.

Предварительные расчеты показывают, что для предлагаемых устройств с диаметром плунжерной пары 57 мм, ходом плунжера 2,5-3,5 м и тяговым усилием станков качалок 80-100 кН при их применении для волновой обработки нефтяных пластов на глубине до 1500 м с высотой столба водонефтяной жидкости (ρ=900...1000 кг/м) от 500 до 1500 м динамическое давление ΔР, равное по формуле Н.Е.Жуковского ΔP≈ρVC, составляет 40...80 мПа, а максимальное усилие на торец подплунжерной камеры достигает 140...200 кН, что недостижимо при использовании других известных технических решений. Усилия такого порядка, как показывают результаты опытно-промышленных работ на нефтепромыслах Башкортостана, гарантированно обеспечивают эффективное воздействие на пласт с длительным (до 3-8 месяцев) повышением нефтеотдачи на 20...30%.

Особым достоинством предлагаемых способа волновой обработки продуктивных пластов и устройства для его реализации является возможность использования оборудования, оснастки, технологии производства работ, широко распространенных в практике нефтедобычи.

1. Способ волновой обработки продуктивного пласта, включающий установку и закрепление в обсаженной скважине плунжерной пары, включающей цилиндр и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения плунжер, связанный посредством тяги с внешним приводом, и периодическое передаваемое на пласт гидродинамическое воздействие путем изменения давления в образованной цилиндром и плунжером подплунжерной камере, отличающийся тем, что указанную подплунжерную камеру герметизируют от пласта и межтрубного пространства и сообщают с атмосферой при ходе плунжера вверх, а в конце хода плунжера вверх - со столбом заполняющей скважину жидкости, при ходе плунжера вниз сообщают эту камеру с межтрубным пространством.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры гидродинамического воздействия подбирают путем применения жидкостей с разной плотностью, изменения высоты столба заполняющей скважину жидкости, хода плунжера и частоты воздействий привода на плунжер.

3. Устройство для волновой обработки продуктивного пласта, включающее цилиндр и размещенный в нем с возможностью осевого перемещения плунжер, соединенный с внешним приводом возвратно-поступательного перемещения посредством тяги с внутренним каналом, отличающееся тем, что цилиндр и плунжер установлены с возможностью образования изолированной подплунжерной камеры, а плунжер выполнен в виде опрокинутого стакана с окнами на боковой и торцевой поверхностях и снабжен размещенным в канале тяги воздушным клапаном и установленным на верхней торцевой части плунжера переливным клапаном.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что тяга выполнена в виде двух элементов, соединенных между собой посредством муфты с каналом, при этом верхний элемент выполнен сплошным, а размещенный со стороны плунжера нижний элемент выполнен с внутренним каналом, причем нижний элемент выполнен длиной, обеспечивающей сообщение муфты с атмосферой при любом положении плунжера.

5. Устройство по любому из п.3 или 4, отличающееся тем, что цилиндр снабжен изолирующим пакером.