CC BY
112
-------------------------------------- © Е.Н. Чередников, А.В. Савченко,
2011
УДК 622.235
Е.Н. Чередников, А.В. Савченко
СКВАЖИННЫЕ ГИДРО УДАРНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОДУКТИВНЫЕ ПЛАСТЫ
Изложены принципы построения технических средств и технологий сейсмических воздействий на массив горных пород включая продуктивные пласты.
Ключевые слова: горный массив, месторождение, забой, гидродинамический импульс, сейсмическая волна.
ш в ринципы сейсмический воз-
.1 Л. действий на массив горных пород, включающий продуктивные пласты, заложенные в государственных программах «Вибрационное просвечивание земли», «Нефтеотдача», «Недра России» (1969-1995 гг.) нашли своё отражение в работах ИГД СО РАН с 2002 г. и последующих лет, по созданию систем воздействия на массив, с принятыми в практике нефтедобычи технологии и техники. За время проведения работ при непосредственном участии сотрудников ИГД СО РАН на нефтепромыслах дополнительно добыто более 300 тыс. т нефти.
Анализ результатов многолетнего опыта применения вибросейсмических методов воздействия на продуктивные пласты с целью увеличения нефтеотдачи на более чем 15 месторождениях показал, прежде всего, их эффективность. Среди скважинных сейсмических систем волнового воздействия на нефтепродуктивные пласты для увеличении нефтеотдачи наибольшее внимание по данным анализа научно-технической литературы и обзора более 1,5 тыс. патентных источников уделяется гидроударным генераторам колебаний, созданных на базе широко распространённых погружных штанговых насосов.
Обладая более высокими энергетическими показателями, по сравнению с поверхностными источниками, они отличаются возможностью быстрой практической реализации. Основанием для данного вывода послужили 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.
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.
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.
Относительно низкая стоимость оборудования; масштабность применения.
Однако реализация этих обстоятельств должна быть согласована с об-
щими требованиями к технологии нефтедобычи, в том числе:
• 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;
• воздействия должны быть многократными (несколько миллионов 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;
• должна предусматриваться возможность совместимости волновых воздействий с другими методами повышения нефтеотдачи.
В скважинных волновых технологиях принципы создания импульса давления основаны на различных физических эффектах [1]. Наиболее распространёнными среди них являются системы использующие перепад давления.
Идеология скважинного возбуждения сейсмических волн в продуктивном пласте заключается в следующем [2, 3]. В скважине имеется столб жидкости высотой Нж, создающей давление на забой P=pgHж; (более 10 МПа для нефтяных скважин глубиной свыше 1000 м). Если поднять этот столб жидкости весом несколько тонн на некоторую высоту h (например, с помощью погружного штангового насоса с поверхностным приводом), а затем сбросить его вниз, и произвести тем самым гидравлический удар, то импульс давления жидкости на забой составит десятки МПа, а возникшая при этом сила, переданная на про-
дуктивный пласт, вызовет в нём упругие колебания.
Если в скважине образовать полости (камеры) с различным давлением, а затем резко впустить жидкость из камеры высокого давления в камеру с низким давлением, то в последней образуется гидродинамический импульс давления потока жидкости. Обусловленная действием этого импульса переменная сила, переданная через механический или гидравлический волновод и излучатель в продуктивный пласт, вызовет в нем сейсмические колебания.
Практическая реализация этой идеи заключается в образовании в скважине изолированных полостей (зон) с постоянным и переменным, обусловленным возвратно-поступа-тельным 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. Изменение давления в камерах достаточно просто можно осуществить с помощью погружного штангового насоса, приводимого в действие от внешнего привода (станка-качалки), при этом при ходе плунжера вверх в подплунжерной камере и отсутствии ее связи с камерой всасывания образуется газожидкостная среда с пониженным давлением и, наоборот, в надплунжерной камере давление жидкости может быть повышено за счет ее сжатия (при закрытой выкидной магистрали). Высокое давление можно обеспечить также от внешних источников или использовать столб жидкости в межтрубном пространстве при его изоляции от пласта, например, с помощью отсекателей или пакеров.
Функции же своевременного и резкого (для создания импульсного броска
давления жидкости) сообщения камер с повышенным и пониженным давлением возлагаются на специальное устройство-пульсатор, срабатывание которого осуществляется в зависимости от положения плунжера или от давлений в камерах.
Практически при ходе плунжера вверх происходит аккумуляция энергии привода, а далее ее трансформация в импульсное воздействие потока жидкости, приводящее к появлению переменных сил, вызывающих упругие колебания пласта.
Принципиальная схема возбуждения волновых процессов в продуктивном пласте может быть представлена в следующем виде (рис. 1).
В обсаженную заполненную жидкостью на высоту Нж от насоса скважину 1, пересекающую на некоторой глубине нефтепродуктивный пласт 2, на насоснокомпрессионных трубах 3 устанавливают цилиндр насоса 4, внутри которого размещают плунжер, штангами 5 связанный со станком-качалкой 6, обеспечивающим его возвратно-
поступательное перемещение. Насос 6 связан с пульсатором 7, обеспечивающим периодическое создание в системе импульсных нагрузок, которые через волновод 8 и излучатель 9 (различного исполнения) передаются в продуктивный пласт, вызывая в нем упругие колебания. В системе может применяться пакер или отсекатель 10.
В образованной системе в общем случае можно выделить ряд характерных областей, в дальнейшем называемых камерами. Камеры сообщаются между собой гидравлическими каналами, оснащенными запорно-управляющими
Рис. 1. Принципиальная схема возбуждения волновых процессов в продуктивном пласте
элементами (клапанами, золотниками, дроссельными каналами, пакерами).
Структурная схема системы приведена на рис. 2, где цифрами обозначены надплунжерная 1, подплунжерная 2, всасывающая камеры 3, камера меж-трубного пространства 4, продуктивный пласт 5, плунжер 6, пульсатор 7, волновод 8, выкидная магистраль 9, внешний источник высокого давления 10, элементы механической связи 11 плунжера с пульсатором, гидравлические каналы 12 связи пульсатора с камерами 1 и 2. В составе пульсатора 7 предусматривается гидроаккумулирующая система, блоки
управления механическими и гидравлическими связями и импульсная камера.
Следует заметить, что в конкретных реализациях отдельные камеры, каналы, и запорно-управляющие элементы могут быть исключены или совмещены; при необходимости возможно введение и дополнительных элементов. Здесь уместно отметить, что предлагаемая структурная схема охватывает все известные в настоящее время конструктивные решения.
На основании вышеизложенных принципов Институтом горного дела СО РАН разработаны и испытаны гидроударные устройства для волнового воздействия на пласт, использующее штатный штанговый привод со станком-качалкой [4]. Принцип генерации упругой волны в данной технологии заключается в образовании в скважине камеры с пониженным давлением, при сообщении которой с затрубным пространством происходит заполнение внутреннего объема жидкостью находящейся под высоким давлением. Образующийся при этом гидроудар удар передаётся столбу жидкости в скважине или на забой через механический волновод, в зависимости от компоновки устройства. Этот процесс имеет два основных направления, это гидроудар при торможении жидкости заполняющёй камеру, и «имплозия», создаваемая за счёт резкого снижения давления в затрубном пространстве или призабойной зоне. Возникший в под-плунжерной камере импульс давления жидкости через гидравлический или механический (при преобразовании импульса давления в переменную силу) канал передаётся в пласт. Система преду-сматривет воздействие на 3-х компонентный состав продуктивного пласта: скелет -жидкость — газ. Поскольку наиболее эффективным является
Рис. 2. Структурная схема
комбинированное воздействие на твёрдую и жидкую фазу пласта, целесообразным является применение в данном устройстве гидравлического канала для передачи импульса давления в зону пласта и механического волновода, который также используется в качестве упора на забой, что уменьшает износ оборудования и позволяет охватить обработкой скважины глубиной более 1,5 км.
При создании устройства реализована возможность одновременного отбора пластовой жидкости. Это позволяет не выводить скважину из эксплуатации на время проведения работ, что существенно расширяет область
применения данной технологии. Дополнительным преимуществом таких методов является возможность эксплуатации оборудования без постоянного присутствия обслуживающего персонала и возможность сочетания с другими методами воздействий на продуктивные пласты, например, химической обработкой пласта.
Для усиления эффекта имплозион-ной обработки призабойной зоны предусматривается применение компоновки с образованием пониженной зоны давления в интервале перфорации, по сравнению с затрубным пространством. Этот эффект достигается применением пакерной системы и использованием гидроканала для отбора жидкости из под пакера.
Применение различных компоновок оборудования позволяет реализовать следующие технологические режимы работы системы:
• откачка жидкости из скважины, установка работает как штатный штанговый насос;
• откачка с одновременным импульсным воздействием, установка работает как штатный штанговый насос, и обладает расширенными функциями, осуществляющими импульсное воздействие на пласт;
• только импульсное воздействие, как на флюид так и на скелет пласта;
• нагнетание в пласт различных реагентов с одновременным гидроимпульсным воздействием на него;
• импульсное и депрессионное воздействие на призабойную зону, воздействие достигается за счёт резкого снижения давления в момент гидроудара после сообщения камеры с пониженным давлением и затрубного пространства. Депрессионный эффект усиливается применением компоновок с пакерами для
т
Рис. 3. Сейсмический импульс генерируемый устройством, А- амплитуда, Т — время
ограничения (уменьшения) объема с пониженным давлением;
• создание импульсной депрессии на призабойную зону и сейсмического воздействия на пласт.
Импульс создаваемый гидроударной установкой приведен на рис. 3.
Ударная гидравлическая волна, достигая интервала перфорации, формирует сейсмические волны в продуктивном пласте (рис. 3). 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 сотен герц, в том
числе и наиболее оптимальные с позиций эффективности воздействия (так называемые доминантные) частоты.
Волновая технология добычи нефти с гидроударным способом генерации сейсмического поля предназначена, как для иненсификации притока нефти из малопродуктивных скважин, так и для воздействия на окружающие скважины мощными сейсмическими импульсами. Эти импульсы, распространяясь на большие расстояния в продуктивном пласте, обладающем волноводными свойствами, влияют на физико-химические и геомеханические процессы в пласте, способствуя повышению фазовой проницаемости коллектора, увеличению охвата залежи действием вытесняющего агента и усилению позитивного влияния гидродинамических методов (циклическое заводнение и изменение направления фильтрационных потоков) на процесс разработки месторождения.
Опытные серии установок изготовлены на ОАО «Ижнефтемаш» и с 2004 года по настоящее время проходят промышленные испытания на Тамья-новской площади Мончаровского месторождения и Ошворце-Дмитровском месторождении. Дополнительная добыча нефти по отдельным месторождениям достигает 14 тыс. т. нефти.
Выполненный анализ позволяет сделать вывод о целесообразности и эффективности создания скважинных гидравлических систем воздействия на нефтяные пласты с целью увеличения нефтеотдачи, с использованием в качестве отправной базы широко распространённых погружных штанговых насосов, позволяющих реализовывать различные технологические режимы воздействия
(откачку, импульсное воздействие, де-прессионное воздействие) с максимальной готовностью нефтепромыслов к их применению.
Главным результатом выполненных исследовательских, экспериментальных и непосредственно промысловых работ мы считаем обоснование нового направления применения сейсмического метода волновых воздействий [5].
Оно заключается в разработке систем управляемого мониторинга геоди-намических процессов в массиве горных пород, включая нефтяной пласт, выработке рекомендаций по регулированию разработки месторождения существующими способами, сейсмическому воздействию на участки пласта, находящиеся в критическом состоянии. Использование методов сейсмического межскважинного просвечивания, включая метод наведённой сейсмичности, данные расчётов напряжённо-деформированного состояния массива горных пород позволит наиболее эффективно, экологически- и техногенно- безопасно вести разработку месторождения.
Подтверждением перспективности выбранного направления является заключение НИР по государственному контракту № 02.515.11.5028 «Разработка технологических решений по мониторингу и предотвращению катастрофических проявлений геодинамиче-ских процессов с одновременным повышением эффективности извлечения нефти и газа воздействием экологически безопасными наноамплитуд-ными сейсмическими полями на горный массив, выведенный из равновесного состояния техногенными процессами добычи полезных ископаемых» на 2007—2008 гг.
1. Савченко А.В. Сравнительный анализ волновых методов увеличения нефтеотдачи // ФТПРПИ. — 2006. — №3.
2. Чередников Е.Н., Сердюков С.В., Савченко А.В. К вопросу создания технических средств скважинных волновых воздействий на нефтяные пласты // Международный научный конгресс «ГЕО - Сбирь - 2006». Т.5. Недропользование. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых; сб. материалов между-нар. научн. конгресса «ГЕ0-Сибирь-2006»
3. Чередников Е.Н., Сердюков С.В. Структурные схемы скважинных систем гидроимпульсного воздействия на нефтепродуктивные пласты // VI международ-
ная конференция «Химия нефти и газа». Материалы VI международной конференции. Т. 1.
4. Чередников Е.Н., Савченко А.В. Технические средства скважинных гидроимпульсных воздействий на продуктивные пласты // Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа. Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции, Томск
5. Сердюков С.В., Чередников Е.Н., Савченко А.В., Ерохин Г.Н. Расширение области применения сейсмических воздействий в нефтедобыче // Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр. Материалы VI международной конференции, Караганда Н5Н=Д
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Чередников Е.Н., Савченко А.В. — Институт горного дела СО РАН, [email protected].
А
КТО МОЖЕТ ПРИНИМАТЬ ОКОНЧАТЕЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ О ПУБЛИКАЦИИ РУКОПИСИ?
В практике научно-технического книгоиздания такие решения принимают разные люди. Если издатель-новичок еще не приобрел необходимого авторитета, ему приходится соглашаться практически на все условия инвестора издания. Ведь он оплачивает все работы по выпуску книги и может заказывать ее на свой вкус. У издателя остается только возможность убедить заказчика в тех или иных технологиях. Это худший вариант издательской деятельности.
Когда учебная книга выпускается на средства университета-учредителя издательства, окончательное решение принимает кто-либо из администраторов или научно-методический эксперт. Это не лучшее решение, потому что администратору обычно недосуг разобраться с содержанием и рыночной конъюнктурой книги, эксперты редко бывают объективными. К тому же их мало волнует репутация издательства. И только владельцы издательства — физические лица кровно заинтересованы в успехе проекта. Вложив в проект свои средства, владелец принимает рискованное решение, рассчитывая в случае неудачи, каким-либо образом компенсировать потери. Кроме того, цена акций издательства прямо зависит от его репутации. Поэтому выпускать плохие книги самоубийственно.
И последний вариант: финансирование издательского проекта осуществляется из многих источников. В этом случае все инвесторы могут объединиться и делегировать свои полномочия кому-то одному. Лучше всего самому компетентному инвестору. Тот, кому эта работа поручена, должен в письменном виде изложить детали проекта (основные характеристики будущей книги, суммарные затраты, календарный план выпуска, тираж и его распределение, возможные дивиденды) и утвердить их у каждого инвестора.
В любом случае ответственное решение принимает инвестор издания после согласования с издателем.
Л. Гитис
