К вопросу создания технических средств скважинных волновых воздействий на нефтяные пласты Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 622.235

Е.Н. Чередников, С.В. Сердюков, А.В. Савченко ИГД СО РАН, Новосибирск

К ВОПРОСУ СОЗДАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СКВАЖИННЫХ ВОЛНОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА НЕФТЯНЫЕ ПЛАСТЫ

К настоящему времени в мировой и отечественной практике нефтедобычи сложилось обоснованное представление об эффективности и перспективности применения волновых технологий воздействия на истощенные, высокообводненные нефтяные пласты с целью повышения нефтеотдачи и интенсификации добычи. Подтверждением этой ситуации является публикация за последние десятилетия сотен печатных работ и патентов по этой тематике.

Особый интерес среди известных методов волновых воздействий вызывают скважинные системы. Основанием для такого отношения являются следующие обстоятельства:

1. Принципиально более высокий к.п.д. процесса за счёт отсутствия потерь энергии, характерных для поверхностных воздействий или воздействий, связанных с их передачей по длинным (механическим, гидравлическим) каналам.

2. Наличие на нефтепромыслах огромного (сотни тысяч) количества скважин различного технологического назначения, находящихся на разных стадиях использования. Тысячи из них могут быть использованы для волновых воздействий.

3. Широкое распространение на промыслах серийно изготавливаемого оборудования, оснастки, которые могут быть использованы для скважинных волновых воздействий; техническая, технологическая, эксплуатационная и кадровая подготовленность нефтепромыслов к работам по этим технологиям.

4. Относительно низкая стоимость оборудования; масштабность применения.

Однако реализация этих обстоятельств должна быть согласована с общими требованиями к технологии нефтедобычи и, прежде всего:

- Технические средства воздействий должны по своим параметрам (энергии и частотному диапазону) соответствовать оптимальным для конкретных пластов и обеспечивать эффективное с позиций нефтеотдачи воздействие на пласт на расстояниях в сотни и тысячи метров от скважины;

Работа выполнялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований проект № 05-05-64558

- Воздействия должны быть многократными (сотни тысяч и миллионы циклов) с соблюдением стабильности излучаемых волн при различных режимах воздействия и, следовательно, технические средства должны обладать необходимой для этого долговечностью;

- Должна обеспечиваться технологическая и экологическая безопасность воздействий; они не должны повлечь появления пагубных последствий;

- Необходимо предусматривать возможность совместимости волновых воздействий с другими методами повышения нефтеотдачи;

- Технология должна базироваться на реальных возможностях существующих нефтедобывающих предприятий, обеспечивать экономическую эффективность, обладать новизной, патентозащищённостью.

Рис. 1

Привлекательность идеи

скважинного возбуждения колебаний продуктивного пласта заключается в следующем. В скважине имеется столб жидкости высотой Нж, создающей давление на забой Р = р§Нж; (реально это более 10 МПа для нефтяных скважин глубиной свыше 1000 м). Если поднять этот столб жидкости весом несколько тонн на некоторую высоту И (что вполне достижимо, например, с помощью

погружного насоса с поверхностным приводом), а затем сбросить его вниз, т.е. реализовать явление гидравлического удара, то импульс давления жидкости на забой составит десятки МПа, а

возникшая при этом сила, переданная на продуктивный пласт, вызовет в нём упругие колебания.

Практическая реализация этой идеи заключается в образовании в скважине изолированных полостей (зон) с

постоянным и переменным,

обусловленным возвратнопоступательным перемещением

плунжера насоса, давлением. При сообщении полостей с различным давлением и перетоках жидкости из зон высокого давления в зону пониженного давления, в последней, образующей импульсную камеру, возникает импульс давления, передаваемый на пласт.

Исходя из вышеизложенного структурная схема скважинного

сейсмического воздействия на продуктивный пласт может быть

представлена следующим образом (рис. 1).

В обсаженную скважину 1 с перфорацией в зоне пласта 2 на насоснокомпрессорных трубах (НКТ) 3 устанавливают цилиндр 4, внутри которого с возможностью осевого перемещения размещают плунжер 5, тягой 6 связанной с приводом 1 возвратно-поступательного движения. Скважину заполняют жидкостью.

В результате пространство скважины разделяется на 4 зоны (камеры):

- Камера 8 пласта, ограничивается в скважине интервалом перфорации и находится под внутрипластовым давлением;

- Камера межтрубного пространства 9, образованная кольцевым зазором между обсадной трубой и ставом НКТ; давление в этой камере может меняться в широких пределах в зависимости от высоты столба жидкости;

- Камера надплунжерного пространства 10, образованная кольцевым зазором между внутренней поверхностью колонны НКТ и насосными штангами по всей их длине. Давление в этой камере зависит от режима работы. На устье скважины камера может быть соединена через задвижки с выкидной магистралью 11 или камерой 9 межтрубного пространства;

- Всасывающая (подплунжерная) камера 12, одновременно является пульсационной камерой, в которой формируются импульсы I давления жидкости, передаваемые в дальнейшем в продуктивный пласт.

Камеры соединены между собой гидравлическими каналами с запорными элементами в виде каналов, золотников, задвижек, пакеров.

При движении плунжера из крайнего нижнего положения вверх жидкость из пласта или межтрубного пространства поступает в подплунжерную всасывающую камеру. При этом на части хода возможно перекрытие поступления жидкости и при дальнейшем ходе плунжера вверх за счёт разряжения давление в камере понижается. Одновременно жидкость из надплунжерной камеры вытесняется в выкидную линию, или сжимается в этой камере при закрытой задвижке выкидной линии, или переливается в межтрубную камеру.

При достижении плунжером верхнего положения (на подходе к нему или, наоборот, после начала движения вниз) камера повышенного давления (надплунжерная или межтрубная) сообщается с подплунжерной и поток жидкости, заполняя эту камеру создаёт в ней импульс давления. При дальнейшем движении плунжера вниз жидкость из подплунжерной камеры через нагнетательный клапан поступает в надплунжерную камеру После полного опускания плунжера вниз цикл повторяется.

Возникший в подплунжерной камере импульс давления жидкости через гидравлический или механический (при преобразовании импульса давления в переменную силу) канал передается в пласт.

Оценим возможные энергетические параметры воздействия на пласт через скважину, обсаженную трубой диаметром 168 мм. Примем следующие значения основных параметров: глубина залегания пласта 1200 м, скважина

заполнена водонефтяной смесью с плотностью р = 900кг/м . В скважине установлен штанговый насос с диаметром плунжерной пары 57 мм и ходом плунжера 3м. Давление в подплунжерной камере при подъеме его в крайнее верхнее положение принимаем равным атмосферному.

Прирост АР давления жидкости на забой при гидравлическом ударе определяется на основе формулы Н.Е. Жуковского АР = р¥е, где V- скорость струи жидкости в момент удара о забой; с - скорость распространения ударной волны в скважине (для стальных труб, заполненных водонефтяной смесью по данным многочисленных расчётов с=110-1400 м/с); V0 - начальная скорость движения жидкости при входе в подплунжерную камеру У0 = ; g - ускорение свободного падения; Нж - высота столба

жидкости над плунжером; ф - коэффициент, зависящий от свойств жидкости, геометрических параметров канала, шероховатости поверхности и т.д.

Расчёты при крайних значениях входящих параметров показывают, что значение АР в 5-12 раз превышает значение статического давления на забой столба жидкости, а максимальное значение действующей на забой силы достигает 120-200 кН. Это настолько значительная величина, что если сравнить с 600-1000 кН силы поверхностных виброисточников с к.п.д. передачи нагрузки от источника до пласта в 1-3%, то возникают вопросы не увеличения этой силы, а разработки систем и элементов передачи такого воздействия на продуктивный пласт.

Частотный спектр воздействия определяется, числом двойных ходов станка-качалки, а далее взаимодействием отражённых волн. После гидравлического удара отраженная от забоя (торца плунжерной камеры) волна со скоростью с движется до устья скважины и, отражается вторично, возвращается к забою с меньшим энергетическим потенциалом. Далее процесс повторяется до полного затухания. При изменении числа двойных ходов станка-качалки от 4 до 12 в минуту обратная волна успевает 2-6 раз воздействовать на забой.

Каждый импульс воздействия прямой и обратных волн включает широкий спектр частот - от долей герца до нескольких килогерц, в том числе и наиболее оптимальные с позиций эффективности воздействия (так называемые доминантные) частоты.

На основе представленной структуры могут реализовываться различные технологические режимы воздействия:

- Просто откачка жидкости пласта;

- Откачка с одновременным импульсным воздействием;

- Только импульсное воздействие, причем как на флюид или скелет пласта, так и совместное;

- Депрессионное воздействие на призабойную зону;

- Нагнетание в пласт различных реагентов.

В ИГД СО РАН совместно с ОАО «Ижнефтемаш» выполнены расчеты, разработана конструкторская документация, изготовлены головные образцы и

опытные партии оборудования, проходящего в настоящее время производственные испытания на нефтепромыслах.

© Е.Н. Чередников, С.В. Сердюков, А.В. Савченко, 2006