Способ интенсификации добычи углеводородов с применением горизонтальных скважин
Владельцы патента RU 2607563:
Шестернин Валентин Викторович (RU)
Буторин Эдуард Афанасьевич (RU)
Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к волновой технологии совмещенного воздействия на продуктивные пласты с применением горизонтальных скважин. Технический результат - повышение отдачи продуктивного пласта в целом и на участках горизонтального ствола скважины за счет оптимизации волнового воздействия. По способу размещают в обсадной колонне гидравлически связанные с устьем скважины через верхнее препятствие-отражатель колонны двух насосно-компрессорных труб - НКТ разной длины. Одна колонна из этих НКТ заканчивается на входе в горизонтальный участок скважины. Другая колонна НКТ заканчивается вблизи днища обсадной колонны. Это днище является выходным препятствием-отражателем, образующим с верхним препятствием объем, внутри которого находится столб жидкости рабочего агента. Создают однородное волновое поле на горизонтальном участке обсадной колонны в жидкости путем установки на концах НКТ в обсадной колонне генераторов колебаний. Увеличивают амплитуду колебаний. Осуществляют контроль колебаний с записью колебаний, поступающих по кабелю от скважинного шумомера к наземному регистрирующему блоку. Совпадение фаз колебаний на горизонтальном участке обсадной колонны скважины обеспечивают после запуска скважины на рабочем режиме добычи углеводородов изменением первоначально выбранной частоты колебаний давления на выходе генераторов путем автоматического или ручного изменения расходов рабочего агента через генераторы при условии равенства расходов на установившихся режимах. Исходные длины НКТ, перед спуском их в скважину, подбирают расчетом по аналитическим выражениям при условии совпадения фаз колебаний и равенстве амплитуд колебаний на горизонтальном участке обсадной колонны для выбранной частоты воздействия на пласт. 2 ил.
Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к волновой технологии совмещенного воздействия на продуктивные пласты с целью повышения извлечения углеводородов с применением горизонтальных скважин. Горизонтальные скважины, в обычном применении, имеют такой недостаток, как неравномерная характеристика работы горизонтального участка подлине.
Известен способ волнового резонансного воздействия на продуктивные нефтяные пласты (копия отчета о НИР, ВНТИЦ 1989 г. гос. рег. 01860135739. Научно-исследовательская работа в области создания волнового метода воздействия на пласт через горизонтальные скважины. Том 1. Уфа. 1987 г., 185 с), позволяющий обеспечивать с помощью генератора, установленного в наклонно-горизонтальной скважине, режим резонансного возбуждения продольных колебаний давления в рабочем агенте обсадной колонны, ограниченной препятствиями-отражателями.
Система, реализующая известный способ включает наклонно-горизонтальную обсадную колонну, вмещающую столб рабочего агента в ней, препятствия-отражатели, один из которых находится на устье скважины, а другой - в конце наклонно-горизонтального участка обсадной колонны, а также - генератор колебаний давления, установленный на конце насосно-компрессорной трубы (НКТ) для возбуждения пульсаций в рабочем агенте, подаваемом с устья скважины в горизонтальный участок обсадной колонны и далее в пласт через перфорацию.
Возбуждение столба рабочего агента приводит к значительному увеличению амплитуды колебаний давления в потоке агента на входе в пласт, что будет способствовать интенсификации фильтрации флюида в пласте и росту нефтеотдачи. Это обусловлено работой генератора колебаний давления на частоте резонансного возбуждения столба рабочего агента.
Недостатком указанного способа является уменьшение от начала к концу горизонтального участка НКТ удельного расхода рабочего агента на единицу площади поверхности горизонтальной части обсадной колонны и далее в пласт из-за отсутствия возможности поддержания постоянного расхода при падении давления по длине горизонтальной части НКТ и истечения рабочего агента по длине через одинаковые диаметры перфорационных отверстий обсадной колонны. Это вызывает неравномерность выработки углеводородов из продуктивного пласта, а следовательно, - снижение добычи и эффективности метода воздействия на пласт.
Другим недостатком этого метода является большие амплитуды колебаний давления в скважине, что не позволяет использовать длительное воздействие на пласт вследствие опасности нарушения целостности цементного кольца у скважины. При его разрушении возможен переток жидкости в нефтяной пласт из водоносных слоев породы.
Известен способ воздействия на продуктивный пласт с применением в наклонно-горизонтальных скважинах системы двух НКТ (РД. Инструкция по организации закачки пара при разработке месторождений СВН. ПАО «Татнефть». Бугульма 2015 г.), одна из которых практически заканчивается вблизи торца обсадной колонны, а вторая - в начале горизонтального участка колонны. Такая система НКТ позволяет обеспечивать более равномерную подачу рабочего агента по длине горизонтального участка обсадной колонны и далее в продуктивный пласт, что приводит к более равномерной выработке углеводородов из продуктивного пласта. Этот способ является наиболее близким к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. Система, реализующая известный способ, включает обсадную наклонно-горизонтальную колонну, столб жидкости в которой ограничен препятствиями-отражателями, а также две НКТ, проходящих через верхнее препятствие, одна из которых заканчивается вблизи нижнего торца обсадной колонны, а вторая НКТ - значительно короче и заканчивается на входе горизонтального участка обсадной колонны. По обеим НКТ в скважину поступает рабочий агент с поверхности. Разнесенность выхода рабочего агента из двух НКТ способствует большему выравниванию расхода и давления по длине горизонтального участка обсадной колонны и, соответственно, на входе в продуктивный пласт. Это приводит к увеличению нефтеотдачи за счет более равномерной по длине выработке продуктивного пласта.
Недостатком этого способа является недостаточная равномерность поступления по длине обсадной колонны от концов НКТ удельного расхода рабочего агента на единицу внутренней поверхности колонны. Это приводит к ухудшению фильтрации флюида к добывающим скважинам. Причем эффект снижения расхода агента в пласт от другой НКТ действует в противоположном направлении, что приводит к минимуму расхода в центре горизонтального участка, заключенного между двумя выходными сечениями НКТ.
Указанное выше решение положено в основу предлагаемого способа увеличения амплитуды воздействия на продуктивный пласт и равномерного распределения амплитуды по длине горизонтального участка обсадной колонны и, соответственно, пласта в отсутствие резонансных колебаний столба скважинной жидкости рабочего агента. Это диктуется необходимостью увеличения эффекта воздействия на пласт при сохранении целостности цементного кольца скважины и компенсации акустических потерь в обсадной колонне и в ее перфорационных отверстиях.
ТЕХНИЧЕСКОЙ задачей, решаемой изобретением, является повышение отдачи продуктивного пласта в целом и на участках, удаленных от концов НКТ горизонтального ствола скважины в направлениях к центру горизонтального участка путем возбуждения продольных колебаний давления в диапазоне частот 10-10000 Гц в столбе нагнетаемой в пласт скважинной жидкости - рабочего агента, за счет установки генераторов на выходы НКТ, обеспечивающих колебания давления, совпадающие по фазе и распространяющиеся в скважинной жидкости с суммарной амплитудой волнового поля за счет сложения генерируемых амплитуд в скважинной жидкости по всей длине горизонтального участка обсадной колонны, а также повышение надежности за счет обеспечения режима щадящих амплитуд воздействия на пласт. Этим обеспечивается возможность продолжительно
долго поддерживать в продуктивном пласте в процессе добычи однородное волновое поле с увеличенной амплитудой колебаний на входе в пласт, что позволяет поднять эффективность работы горизонтального участка скважины и увеличить вытеснение флюида при равномерной его выработке из продуктивного пласта, тем самым - поднять КИН (коэффициент извлечения нефти).
СУЩНОСТЬ решения поставленной технической задачи заключается в том, что в известном способе разработки продуктивного пласта с помощью наклонно-горизонтальной скважины путем размещения в обсадной колонне гидравлически связанных с устьем скважины через верхнее препятствие-отражатель колонны двух НКТ разной длины, одна из которых заканчивается на входе в горизонтальный участок скважины, а другая НКТ заканчивается вблизи днища обсадной колонны, которое является выходным препятствием-отражателем, образующим с верхним препятствием объем, внутри которого находится столб жидкости рабочего агента, ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ создают увеличение амплитуды и однородное волновое поле на горизонтальном участке обсадной колонны в жидкости путем установки на концах НКТ в обсадной колонне генераторов колебаний давления с контролем записи колебаний, поступающих по кабелю от скважинного шумомера к наземному регистрирующему блоку, причем совпадение фаз колебаний на горизонтальном участке обсадной колонны скважины обеспечивают после запуска скважины на рабочем режиме добычи углеводородов изменением первоначально выбранной частоты колебаний давления на выходе генераторов путем автоматического или ручного изменения расходов рабочего агента через генераторы при условии равенства расходов на установившихся режимах, а исходные длины НКТ, перед спуском их в скважину, подбирают расчетом при совпадении фаз колебаний и равенстве амплитуд колебаний на горизонтальном участке обсадной колонны для выбранной частоты воздействия на пласт:
от короткой НКТ
от длинной НКТ
где Pк - амплитуда колебаний давления на горизонтальном участке обсадной колонны от короткой НКТ;
Pд - амплитуда колебаний давления на горизонтальном участке обсадной колонны от длинной НКТ;
Р4 и Р5 - амплитуды колебаний давления на выходе генераторов;
k - волновое число;
L - общая длина обсадной колонны;
Xк - длина короткой НКТ до среза выходного сечения генератора;
Xд -протяженность длинной НКТ до среза выходного сечения генератора;
x - текущая координата по оси обсадной колонны на ее горизонтальном участке, определяемая в интервале Xд-Xк;
β - фазовый сдвиг амплитуды распространяющейся волны в направлении дна обсадной колонны, создаваемой генератором от конца короткой НКТ и определяемый акустической проводимостью дна обсадной колонны;
ψ - фазовый сдвиг амплитуды распространяющейся волны в направлении верхнего препятствия - крышки на устье скважины, создаваемой генератором от конца длинной НКТ и определяемый акустической проводимостью крышки.
При подаче рабочего агента в его потоке на выходе каждого из генераторов формируются гармонические колебания, распространяющиеся в скважинной жидкости в обоих направлениях от генераторов. При этом амплитуда упругой волны, излучаемая генератором от выходного конца короткой НКТ и распространяющаяся в направлении дна обсадной колонны (Pк), взаимодействует в фазе (что обеспечивают перед спуском НКТ как выбором их длин, так и путем автоматического или ручного изменения расходов рабочего агента в генераторы после запуска скважины на рабочем режиме) с амплитудой упругой волны, излучаемой генератором от выходного конца длинной НКТ и распространяющейся вверх в направлении крышки на устье скважины (Pд). При совпадении фаз колебаний суммарная амплитуда волнового поля на горизонтальном участке превышает амплитуды колебаний с выхода каждого из генераторов, т.е. равна Pк+Pд (или равна 2Р при Р4=Р5=Р при незначительных потерях на поглощение колебательной энергии). В результате устанавливается однородное волновое поле на горизонтальном участке обсадной колонны. При этом максимальные значения результирующей амплитуды перемещаются вдоль горизонтального участка со скоростью потока жидкости.
В итоге, увеличенное значение суммарной амплитуды колебаний давления в столбе скважинной жидкости будет способствовать большей передаче акустической энергии в пласт как за счет амплитуды, так и за счет однородности волнового поля в скважине на горизонтальном участке и продуктивном пласте, что обеспечит большую извлекаемость углеводородов, в том числе и за счет роста КИН.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию «новизны». При изучении других известных технических решений в данной области признаки, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию «существенные отличия».
Способ может быть реализован скважинным комплексом, изображенным на фиг. 1
Скважинный комплекс состоит из обсадной наклонно-горизонтальной колонны 1, вмещающей две НКТ - 2 и 3 разной длины, гидравлически связанных с генераторами колебаний 4 и 5 соответственно. Обсадная колонна 1 отделена от продуктивного пласта 6 цементным кольцом 7. В цилиндрической стенке горизонтального участка обсадной колонны 1 и цементном кольце 7 выполнены перфорационные отверстия 8, а дно(башмак) обсадной колонны 1 заканчивается цементным камнем 9. В полости обсадной колонны на горизонтальном участке ее устанавливается измерительное устройство для замера частоты и амплитуды колебаний давления - скважинный шумомер 10, электрически связанный через кабель 11 с наземным регистрирующим блоком 12, расположенным на устье обсадной колонны 1 и позволяющим автоматически или в ручном режиме отслеживать и корректировать через изменение расходов рабочего агента в генераторы наложение фаз колебаний от генераторов 4 и 5.
На основании представлений распространения волнового поля в скважинном рабочем агенте (Исакович М.А. «Общая акустика». М.: Наука. 1973 г.) уравнения распространения амплитуд колебаний, излучаемых идентичными генераторами 4 и 5 на горизонтальном участке обсадной колонны 1 в обоих направлениях от выходных сечений генераторов 4 и 5, имеют в общем виде выражения (1) и (2).
Для реализации предложенного решения используются данные конкретной скважины, например:
- общая длина наклонно-горизонтальной обсадной колонны (скважины) - L=600 м;
- предполагаемая протяженность длинной НКТ - Х2=598 м;
- предполагаемая длина короткой НКТ - Х1=460 м;
- фазовый сдвиг амплитуды волны, определяемый через проводимость входного препятствия обсадной колонны (крышка на устье скважины),допускаем для данного расчета ψ=0;
- фазовый сдвиг амплитуды волны, определяемый через проводимость выходного препятствия обсадной колонны (дно), составляет по расчету примерно β=1,39;
- планируемая частота колебаний давления на выходе генераторов - f=100 Гц;
- волновое число - k=0,433 м-1;
- скорость звука в рабочем агенте (вода) - с=1450 м/с.
Используя вышеприведенную систему уравнений (1) и (2) для амплитуд колебаний давления Pк и Pд методом последовательных приближений относительно предполагаемых значений X1=460 м и Х2=598 м при выбранном шаге изменения этих длин добиваемся равенства максимальных значений амплитуд давления Pк=Р4 и Pд=Р5 в сходственных значениях x в интервале горизонтального участка обсадной колонны, что гарантирует совпадение по фазам колебаний давления, а следовательно, сложение их максимальных значений амплитуд.
Поступая указанным образом, получаем уточненные значения x1 и х2, которые составляют 451 м и 597 м соответственно, что требует изменения исходных длин предполагаемых к спуску НКТ - X1 и Х2 до Xк и Xд соответственно.
Задавая текущие значения x в интервале L-Xк строим график (фиг. 2) периодической функции колебаний давления Pк в волне, распространяющейся вниз от выходного сечения генератора 4 на конце короткой НКТ. Это выполняется при значении длины короткой НКТ, равной Xк=451 м. Максимальное значение амплитуды колебаний при этом составляет Pк=Р4=1,1 МПа.
Задавая текущие значения x в интервале Xд-Xк, строим график (фиг. 2) периодической функции колебаний давления Pд в волне, распространяющейся вверх от выходного сечения генератора 5 на конце длинной НКТ. Это выполняется при значении протяженности длинной НКТ, равной Хд=597 м. Максимальное значение амплитуды колебаний при этом составляет Рд=Р5=1,0 МПа. Графики изменения Pк и Pд (фиг. 2) практически совпадают по фазе. Таким образом, значение амплитуды колебаний давления на горизонтальном участке скважины в сравнении с амплитудой колебаний давления на выходе каждого из генераторов составляет Pк+Pд=2Р при принятых значениях P4=P5=P. Результаты расчетов колебаний в скважине приведены на графике (фиг. 2).
В случае нарушения расчетного значения длин НКТ после спуска их в скважину, выявляемому наземным регистрирующим блоком 12 по показаниям скважинного шумомера 10 при запуске скважины (в силу неучтенных факторов распространения акустических волн по трактам НКТ либо в силу монтажа системы) и приводящих к рассогласованию фаз колебаний и, следовательно, к снижению значения суммарной амплитуды колебаний давления на горизонтальном участке, согласование фаз может обеспечено незначительным изменением частоты вынужденных колебаний за счет изменения в равной мере расхода жидкости через каждый из излучателей.
Изменение расхода жидкости приводит к изменению времени пребывания в камерах излучателей, что вызывает изменение частоты генерируемых колебаний. Контроль осуществляется на основе показаний прибора - скважинного шумомера 10 в обсадной колонне 1. Выявленный новый режим подачи жидкости, обеспечивающий совпадение фаз колебаний, поддерживается вплоть до следующего появления рассогласования колебаний по фазе на горизонтальном участке обсадной колонны 1. После этого процесс перенастройки расхода (частоты колебаний) вновь повторяется в ручном или в автоматическом режимах.
Действительно, полагая, что расчетные значения длин НКТ после спуска в скважину Xд=597 м и Xк=451 м для условий сложения колебаний с равными фазами при частоте вынужденных колебаний 100 Гц в силу ряда причин не были выдержаны, а именно значение Xк составило, например, 441 м (что косвенно можно было бы определить по рассогласованию фаз колебаний на горизонтальном участке обсадной колонны 1). Расчетами установлено, что изменяя частоту колебаний на выходе излучателей со 100 Гц на 112 Гц, можно обеспечить совпадение колебаний по фазам и, соответственно, сложение амплитуд колебаний до значения 2Р.
Способ разработки продуктивного пласта с помощью наклонно-горизонтальной скважины путем размещения в обсадной колонне гидравлически связанных с устьем скважины через верхнее препятствие-отражатель колонны двух НКТ разной длины, одна из которых заканчивается на входе в горизонтальный участок скважины, а другая НКТ заканчивается вблизи днища обсадной колонны, которое является выходным препятствием-отражателем, образующим с верхним препятствием объем, внутри которого находится столб жидкости рабочего агента, отличающийся тем, что создают увеличение амплитуды и однородное волновое поле на горизонтальном участке обсадной колонны в жидкости путем установки на концах НКТ в обсадной колонне генераторов колебаний давления с контролем записи колебаний, поступающих по кабелю от скважинного шумомера к наземному регистрирующему блоку, причем совпадение фаз колебаний на горизонтальном участке обсадной колонны скважины обеспечивают после запуска скважины на рабочем режиме добычи углеводородов изменением первоначально выбранной частоты колебаний давления на выходе генераторов путем автоматического или ручного изменения расходов рабочего агента через генераторы при условии равенства расходов на установившихся режимах, а исходные длины НКТ, перед спуском их в скважину, подбирают расчетом при совпадении фаз колебаний и равенстве амплитуд колебаний на горизонтальном участке обсадной колонны для выбранной частоты воздействия на пласт:
от короткой НКТ
от длинной НКТ
где Pк - амплитуда колебаний давления на горизонтальном участке обсадной колонны от короткой НКТ;
Pд - амплитуда колебаний давления на горизонтальном участке обсадной колонны от длинной НКТ;
P4 и Р5 - амплитуды колебаний давления на выходе генераторов;
k - волновое число;
L - общая длина обсадной колонны;
Xк - длина короткой НКТ до среза выходного сечения генератора;
Xд - протяженность длинной НКТ до среза выходного сечения генератора;
x - текущая координата по оси обсадной колонны на ее горизонтальном участке, определяемом в интервале Xд-Xк;
β - фазовый сдвиг амплитуды распространяющейся волны в направлении дна обсадной колонны, создаваемой генератором от конца короткой НКТ и определяемый акустической проводимостью дна обсадной колонны;
ψ - фазовый сдвиг амплитуды распространяющейся волны в направлении верхнего препятствия - крышки на устье скважины, создаваемой генератором от конца длинной НКТ и определяемый акустической проводимостью крышки.
