Вибрационные методы воздействия на ПЗС

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ

Текущий и перспективный периоды разработки нефтяных, нефтегазовых и нефтегазоконденсатных месторождений как в целом по России, так и в основных нефтедобывающих регионах характеризуются возрастанием доли трудноизвлекаемых запасов и малоэффективных залежей.

К трудно-извлекаемым относятся запасы углеводородов, сосредоточенные в карбонатных и малопроницаемых (менее 0,05 мкм²) с высокой зональной и послойной неоднородностью терригенных коллекторах, представленных глинистыми песчаниками, алевролитами, переслаивающимися разностями аргилитоподобных алевритов, а также запасы высоковязких (более 60 мПа · с) нефтей и водонeфтяных зон и нeфтяныx оторочек.

Наличие в разрезе  залежей разных по типу и составу  насыщающих их флюидов требует одновременного применения различных технологий воздействия, что значительно осложняет процесс нефтеизвлечения.

К малоэффективным относятся месторождения, которые при традиционной технологии разрабатываются со сравнительно низкими технико-экономическими показателями и обеспечивают нефтеотдачу не более 20...30 %.

Причиной этого являются небольшие размеры месторождений, их разбросанность и удаленность от коммуникаций и дорожной сети, низкая концентрация запасов, как по залежи, так и разрезу, малодебитность (1...3 т/сут) скважин, ухудшенное товарное качество нефтей (из-за высокого содержания серы (более 1,9 %), парафина и др.).

Существует также такое  негативное явлением, проявляющееся при обычном заводнении, как образование тупиковых слабо дренируемых зон наряду с практически полностью промытыми и выработанными участками. Неохваченные вытеснением зоны образуются в результате геометрической неоднородности потоков агента, неоднородности коллектора по проницаемости, его прерывистости, наличия зон слияния, стягивания между добывающими и нагнетательными рядами скважин.

В целом по России доля трудноизвлекаемых и малоэффективных запасов составляет более 60 %.

Разработка объектов в таких условиях по известным  технологиям, в том числе с  применением физико-химических методов, малоэффективна.

Опыт показывает, в  таких случаях имеет перспективу развития использование волновых методов.

Исходя из вышесказанного, целью нашей работы является изучение виброволновых методов увеличения нефтеотдачи.

 

1. Методы воздействия с использованием скважинных источников

Призабойная зона пласта - это часть общей пластовой гидродинамической системы, где фильтрация флюидов происходит при повышенных скоростях, градиентах давления и температуры и осложняется появлением трещиноватых, неоднородных по проницаемости зон, фазовых переходов. Призабойная зона находится в неравновесном термодинамическом состоянии активного энерго- и массообмена со скважиной и пластом, при этом ее состояние непрерывно изменяется в ходе разработки месторождений. Размер призабойной зоны принято оценивать по радиусу зоны нарушения линейного закона фильтрации, которая может простираться на 6…23 м от оси скважины. Несмотря на такие малые размеры, ПЗП во многом определяет процесс разработки всего месторождения нефти в целом. Особенно это относится к месторождениям с трудноизвлекаемыми запасами, вскрывающими неоднородные и низкопроницаемые пласты [2, с. 88].

Значительная исходная термодинамическая неравновесность ПЗП как объекта воздействия, возможность проявления в процессах разработки месторождений естественных сил, например возникновения скачков насыщенностей, неравновесных состояний капиллярных сил на контактах разнонасыщенных зон, которые могут достигать в мелких порах продуктивных пластов 0,003...0,05 МПа  и существовать длительные периоды времени, а также возможность существования в призабойной зоне других метастабильных состояний всё это предполагает возможность «отклика» ПЗП при волновом воздействии с достаточно низкими интенсивностями колебательного поля [4, с. 88].

1.1.Виброволновые

С создания виброволнового методы в 60-х гг. прошлого столетия впервые начато применение волновых методов на нефтяных месторождениях, а также были достигнуты серьезные предпосылки для развития других волновых методов. Этот метод, а также устройства для его осуществления впервые предложены С.М. Гадиевым, и в литературе он получил название «вибрационный». Обработки скважин проводились с использованием скважинных устройств. Наибольшее распространение получили генераторы, использующие для работы гидродинамический напор закачиваемой в скважины технологической жидкости (вода, растворы ПАВ, нефть, растворители, кислоты и др.). Это, например, вибратор Г83 золотникового типа конструкции МИНХ и ГП, вставной пульсатор ПВ-54 клапанного типа конструкции ТатНИПИнeфть. Так, по данным МИНХ и ГП, за период с 1967 по 1985 г. с помощью вибратора ГБ3-108 проведено около 6000 обработок скважин. Успешность работ составила 70 %. Продолжительность эффекта 1,0... 1,5 года. Общий прирост добычи нефти по ним превысил более 5 млн. т, увеличение приемистости по нагнетательным скважинам - 15 млн. м³. По данным ТатНИПИнефти с использованием пульсаторов П8-54 за период 1984-1985 гг. обработано 100 нагнeтатeльных скважин с успешностью 80%. Приемистость скважин увеличилась в среднем на 25 %, эффект продолжался в течение 60…90 сут [8, с. 66].

На нефтяных месторождениях Ставрополья примерно в то же время проводились опытно-промысловые работы по воздействию упругими колебаниями на ПЗП с помощью скважинных гидродинамических генераторов конструкции СевКавНИПИнефти. В БашНИПИнефти был разработан клапанный генератор ГК-2.

Техническая характеристика указанных устройств, а также  спектрограммы и осциллограммы сигналов с датчиков колебаний давления при их работе приведены соответственно в табл. 1 и на рис. 1.

 

Таблица 1

Результаты стендовых исследований гидродинамических генераторов различных типов

Рис. 1. Гидродинамические  генераторы, осциллограммы и спектрограммы: Q – расход рабочей жидкости, м³/сут, f – частота, ГЦ, А – размах колебаний давления, МПа, ΔР – перепад давления на генераторе, МПа

Основной эффект от виброволнового воздействия на ПЗП достигается за счет раскупоривания поровых каналов, образования трещин в ПЗП, влияния на реологические свойства жидкостей, увеличения подвижности жидкостей в пласте и др.

На основании теоретических, лабораторных и промысловых исследований определены факторы и мероприятия, повышающие эффективность виброволнового воздействия, усовершенствованы гидравлические роторные преобразователи. Среди таких мероприятий указывается на необходимость использования резонансных свойств различных узлов и систем, сочетание виброволнового воздействия с депрессиями, промывками и др. Достоинствами виброволнового воздействия являются простота метода, использование энергии напора закачиваемой жидкости, сочетание гидродинамических генераторов со штатным оборудованием. Важно то, что скважинные виброволновые обработки органично совмещаются со штатными промысловыми операциями ПРС и КРС и с операциями большинства традиционных методов обработки ПЗП и пласта.

Несмотря на привлекательность, указанные выше разработки не нашли дальнейшего развития ввиду ненадежности и низкого КПД, больших энергозатрат и малой эффективности при использовании гидродинамических генераторов механического типа, отсутствия обоснованных критериев выбора рациональных параметров виброволнового воздействия и режимов обработки скважин [4, с. 44].

Виброволновых методы применяют при освоении, повышении продуктивности и увеличении производительности нагнетательных скважин, вскрывающих неоднородные, низкопроницаемые пласты, представленные карбонатами, песчаниками, глинистыми песчаниками и алевролитами.

 

1.2. Импульсно-ударные

К группе импульсно-ударных методов относятся методы, основанные на использовании взрывчатых веществ, методы с применением электроискровых генераторов и методы с использованием гремучей смеси и др. Все эти методы основаны на использовании эффекта ударной волны и вызываемых ею возмущений в пласте. Для создания таких воздействий применяются химические, механические, гидравлические, газопевматические и электрофизические источники, обладающие низким КПД.

К группе импульсно-ударных методов относятся воздействия с использованием пластоиспытателей и других мембранных, клапанных устройств, создающих мгновенные или медленные депрессии на пласт, а также с применением баллонов высокого давления или пневматических, вакуумных, имппозионных устройств. Эти методы используются в основном при проведении гидродинамических исследований и других специальных задач, а также при освоении скважин, реже для очистки ПЗП.

Среди этих методов следует выделить создание управляемых депрессий на ПМЗ с помощью инжекторов. У этих методов, так же как и у всей группы импульсно-ударных методов, имеются серьезные недостатки, а именно:

- небольшая глубина  воздействия;

- в случае неоднородных пластов эффект от воздействия в основном проявляется в высокопроницаемых пропластках [5, с. 77].

В ряде случаев применение методов сопровождается увеличением обводненности продукции. В связи с этим использование их на скважинах, вскрывающих низкопроницаемые, неоднородные пласты малоэффективно, а зачастую вообще не дает положительных результатов.

Импульсно-ударные методы применяются при освоении скважин, вскрывающих пласты, представленные карбонатами и песчаниками с высокой проницаемостью и повышенным пластовым давлением. Очистка скважин от отложений солей.

1.3. Акустические

К этой группе относят методы воздействия упругими колебаниями, имеющими сформированный волновой характер непосредственно в ПЗП. Учитывая реальные размеры ПЗП и необходимость соблюдения условий прозрачности, при прохождении акустических волн через обсадные трубы, можно получить частоты выше 1000 Гц, т. е. высокочастотное акустическое воздействие. При высокочастотном акустическом воздействии на ПЗП и развитии вблизи источника достаточно большой интенсивности (выше 1 кВт/м²) в локальных объемах среды наблюдаются собственно волновые явления: искажение формы волны, возникновение звукового давления, акустические течения и др., которые проявляются в изменении проницаемости насыщенных пористых сред, увеличении скорости фильтрации, понижении сдвиговой вязкости флюидов, повышении давления насыщения растворенных газов с усилением газовыделения, увеличения теплопроводности и в других явлениях.

Акустические методы условно можно разделить на 2 подгруппы по типу используемых волновых источников: именно пьезокерамических, магнитострикционных преобразователей и высокочастотных гидродинамических генераторов в основном кавитационного типа [6, с. 87].

Первоначально были разработаны магнитострикционные и пьезокерамические излучатели. Пьезокерамические преобразователи оказались более предпочтительны ввиду их большего КПД, достигающего 50 %. И именно они нашли широкое применение для акустического воздействия на ПЗП с целью восстановления продуктивности добывающих и производительности нагнетательных скважин. Преобладающая частота таких излучателей составляет 19...25 кГц, поэтому и метод, основанный на их применении, называют высокочастотным акустическим. Указанные излучатели входят в состав аппаратуры (рис. 4), включающей скважинный снаряд (излучатель), опускаемый на каротажном кабеле в скважину, и наземный блок питания и управления [1, с. 74].

Рис. 2. Общий вид аппаратуры акустического воздействия:

1 – скважинный источник ВЧ  акустических колебаний, 2 – кабель, 3 – наземная геофизическая станция с генератором, пультом управления и лебедкой, 4 – блок и лубрикатор, 5 – обсадная колонна, 6 – насосно-компрессорные трубы

При работе излучателя в скважине возбуждается акустическое поле интенсивностью до 10 кВт/м² и более, при этом развиваются градиенты давления порядка десятых-сотыx долей МПа на 1 м. Интенсивность в породе вблизи скважины составляет 1 кВт/м², что обеспечивает интенсивность порядка 0,2 кВт/м² в породе на расстоянии около 1 м от стенки. Акустические методы разработаны силами коллективов ВНИИЯГГ и ВНИИнефти [3, с. 87]. Основоположниками разработки акустических методов являются О.Я Кузнецов, Э.М. Симкин, С.А. Ефимова. Большой вклад в разработку технических средств и их внедрение внес Ю.Ф. Жуйков.

Серьезная работа по дальнейшему  совершенствованию и внедрению акустического метода и пьезокерамических излучателей проделана в МГУ Ю.И. Горбачевым совместно с ЗАО «ИНЕФ».

Генерация колебаний  в этих устройствах основана на возбуждении собственных частот закрученного слоя жидкости. Основным конструктивным элементом этих устройств является форсунка с соплом. Подача рабочей жидкости осуществляется через тангенциальные отверстия. К подобным гидравлическим устройствам относятся также генератор, созданный в УНИ Р.Ш. Муфазаловым. Позднее появились волновые генераторы, разработанные в Институте машиноведения РАН под руководством Р.Ф. Ганиева.

Как показали стендовые  испытания, все вышеуказанные устройства генерировали колебания низкой амплитуды с низким значением среднеквадратичного давления и в то же время создавали высокие потери напора нагнетаемой жидкости за счет существенного шпyциpования потока. Функционирование всех генераторов сопровождалось значительным кавитационным износом, как тангенциальных отверстий, так и поверхности вихревой камеры, что приводило к срыву режима их работы и выходу из строя. Низкая надежность, неустойчивость автоколебательного режима и узость рабочего диапазона расходов ограничивают возможности практического использования этих устройств. Результаты промысловых испытаний этих устройств, проведенные на большом фонде скважин Западной Сибири и Урало-Поволжья, подтвердили заключение стендовых испытаний [8, с. 7].

В итоге в Институте машиноведения, а позднее Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН были проведены исследования по совершенствованию разработанных, а также по созданию новых конструкций, которые в настоящее время проходят опытно-промышленные испытания и внедряются.