RU146794U1

RU146794U1 - Скважинное устройство для ударно-волнового воздействия на продуктивные пласты

Info

Publication number: RU146794U1
Application number: RU2014122160/03U
Authority: RU
Inventors: Валентина Борисовна Свалова; Александр Михайлович Свалов
Original assignee: Александр Михайлович Свалов
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2014-10-20

Abstract

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована для интенсификации фильтрационных процессов в продуктивных пластах. Скважинное устройство для ударно-волнового воздействия на продуктивные пласты, включающее генератор импульсов давления, размещенный в стволе скважины на колонне труб или на кабеле. Над генератором импульсов давления устанавливается поршень с продольной длиной, обеспечивающей эффективное отражение ударно-волновых импульсов давления и ограничение волновой нагрузки на колонну труб или кабель. Эффективность ударно-волнового воздействия на пласт повышается за счет локализации этого воздействия в выделенном интервале продуктивного пласта. Кроме того, локализация зоны воздействия предохраняет от динамических нагрузок резьбовые соединения обсадных труб и цементный камень в кольцевом пространстве в остальной части ствола скважины. Для ограничения интервала воздействия снизу может быть установлен аналогичный поршень под генератором импульсов давления. Заявляемое устройство экономично, эффективно в использовании и не привносит существенных изменений в технологии ударно-волнового воздействия на продуктивные пласты существующими генераторами импульсов давления. 2 ил. на 2 л.

Description

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована для интенсификации фильтрационных процессов в продуктивных пластах.

Известны способы и устройства для ударно-волнового (импульсного) воздействия на призабойные зоны скважин и продуктивные пласты в целом (Попов А.А. Ударные воздействия на призабойную зону скважин. - М.: Недра, 1990. - 138 с; Попов А.А. Имплозия в процессах нефтедобычи. - М.: Недра, 1996. - 95 с; патент РФ №2327034, 16.12.2005; патент РФ №2373387, 01.07.2008 и др.). Ударно-волновое воздействие на породу-коллектор нефти и газа способствует очистке порового пространства породы, очистке внутренней поверхности обсадных труб и перфорационных каналов от механических осадков, отложений солей, асфальто-смолисто-парафиновых отложений, а также приводит к релаксации избыточных напряжений в породе, снижает эффективную вязкость пластовых флюидов и т.д., способствует снижению обводненности добываемой продукции и повышению нефтегазоотдачи продуктивных пластов.

Ударно-волновые процессы в стволе скважины вызываются различными способами - путем создания изолированных зон пониженного или повышенного давления в жидкости, заполняющей ствол скважины, с последующей быстрой разгерметизацией этих зон, а также с помощью электроразрядных устройств, вызывающих развитие процессов взрывного типа в жидкости и горной породе вокруг ствола скважины. Недостатком существующих способов и средств возбуждения ударно-волновых процессов в стволе скважины является невысокая эффективность передачи импульсов давления в интервал продуктивного пласта из-за того, что большая часть энергии импульсов давления расходуется на процесс распространения этих импульсов по жидкости от продуктивного пласта вдоль ствола скважины. Стандартный способ изолирования зоны возбуждения импульсов давления с помощью пакерования этой зоны требует использования дорогостоящих пакеров, способных выдерживать многократные (до тысячи циклов) ударные воздействия с амплитудой колебаний давления, достигающей сотен атмосфер (десятков МПа). Кроме того, при использовании электроразрядных устройств, спускаемых в скважину на каротажном кабеле, технологически невозможно использование пакеров существующих стандартных конструкций.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для возбуждения ударно-волновых процессов в стволе скважины с помощью электрических разрядов (генератор плазменно-импульсного воздействия, патент РФ №2373386, 01.07.2008). Суть использования такого устройства заключается в том, что в стволе скважины создают короткие по времени (~50 мкс) импульсы высокого давления, достигающие сотен атмосфер (десятков МПа), причем в качестве средства создания упомянутых импульсов давления используют источник электроимпульсного разряда, спускаемый в скважину на кабеле. Устройство включает накопительный конденсатор, электроды, замкнутые металлической проволокой с площадью поперечного сечения от 0,1 мм² до 0,9 мм². На электроды подают импульсы напряжения величиной от 2,6 кВ до 4,3 кВ через промежутки времени от 20 сек до 70 сек, обеспечивая тем самым взрыв проволоки и формирование ударных волн (импульсов) давления в жидкости, при этом расстояние между электродами составляет от 11 мм до 60 мм. Предусматривается перемещение источника вдоль ствола скважины на расстояние от 300 мм до 1000 мм.

Недостатком этого устройства является невысокая эффективность передачи импульсов давления в пласт из-за потерь энергии этих импульсов, обусловленных процессом их распространения в жидкости от забоя скважины до свободной поверхности жидкости в стволе скважины. Ударные волны сжатия при взаимодействии со свободной поверхностью отражаются от нее волной разрежения с амплитудой, примерно равной амплитуде волны сжатия, то есть, с амплитудой, достигающей сотен атмосфер, что в данном случае физически невозможно из-за того, что на свободной поверхности жидкости в стволе скважины величина давления измеряется несколькими атмосферами и, таким образом, давление в отраженной волне должно находиться в области отрицательных величин. Отсюда следует, что в отраженной волне в стволе скважины в действительности при достижении отрицательных (растягивающих) давлений будет происходить разрыв сплошности жидкости и образование водогазовой среды (пены), рассеивающей упругую энергию импульса давления.

Полезная модель обеспечивает повышение эффективности процесса передачи импульсов давления в породу в интервале продуктивного пласта за счет включения в компоновку вместе с генератором импульсов давления поршня (поршней), ограничивающих размеры зоны распространения импульсов давления. Кроме того, локализация зоны воздействия предохраняет от динамических нагрузок резьбовые соединения обсадных труб и цементный камень в кольцевом пространстве в остальной части ствола скважины.

Техническая задача решается путем выбора рациональных размеров поршня, обеспечивающих высокий коэффициент отражения коротких ударных импульсов давления от этого поршня. Новым является применение неполноразмерных поршней для локализации ударно-волнового воздействия на пласт.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что локализация коротких ударно-волновых импульсов, создаваемых генератором импульсов давления, спущенного до уровня продуктивного пласта (интервала его перфорации), может быть вполне эффективно осуществлена в желаемом интервале воздействия с помощью достаточно короткого неполноразмерного поршня, то есть, поршня с диаметром, меньшим внутреннего диаметра обсадных труб в скважине.

Для обоснования этого утверждения рассмотрим процесс отражения ударной волны, распространяющейся в скважине, от жесткого поршня, установленного в стволе скважины (фиг. 1). На фиг. 1а изображен процесс взаимодействия бесконечно-протяженной ударной волны в жидкости (область серого цвета) с бесконечным по протяженности поршнем (изображен черным цветом) с диаметром D_прш (см), установленном в стволе скважины с диаметром D_скв (см). Для определенности давление P (дин/см²) в покоящейся жидкости будем принимать за нулевую точку отсчета.

При параметрах ударной волны, удовлетворяющих условию P₀/E_ж<<1, где P₀ - величина давления на фронте ударной волны, E_ж - модуль объемного сжатия жидкости (дин/см²), процессы распространения и отражения ударных волн с высокой точностью описываются линейной теорией (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т., т.6. Гидродинамика. - 4-е изд., стер. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1988. - 736 с). Согласно этой теории давление P на фронте ударной волны и скорость движения жидких частиц за фронтом волны u_ж (см/с) связаны соотношением вида:

где ρ_ж - плотность жидкости (г/см³), с_ж - скорость звука в этой жидкости (см/с).

При практическом применении устройств ударно-волнового воздействия на пласт перепад давления в образующихся ударных волнах измеряется величинами, не превышающими нескольких сотен атмосфер, а модуль объемного сжатия воды или нефти находится в диапазоне 1-2·10⁴ атм, то есть, их отношение составляет величину порядка нескольких сотых долей единицы и, таким образом, приведенная формула (1) вполне применима для достаточно точных количественных оценок параметров ударно-волновых процессов в скважине.

Для количественной оценки параметров процесса взаимодействия ударной волны с абсолютно жестким поршнем (фиг. 1а), когда образуются два фронта - фронт волны, распространяющейся вверх по кольцевому пространству между поршнем и стенками скважины и фронт отраженной волны, распространяющейся вниз по стволу скважины, кроме соотношения (1), выполняющегося на фронтах этих ударных волн, необходимо использовать условие непрерывности потоков жидкости и условие равенства давления в жидкости между этими фронтами. Указанных условий достаточно, чтобы получить соотношение для давления P_отр в отраженной поршнем волне:

Здесь учтено, что скорость и₀ и давление P₀ в набегающей волне (фиг. 1а) связаны соотношением (1). Переменной 8 в формуле (2) обозначена площадь внутреннего сечения скважины (

), переменной s - площадь кольцевого зазора между поршнем и стенкой скважины (

). Отметим, что в случае полноразмерного поршня, то есть, в случае плотного прилегания поршня к стенке скважины (s=0) формула (2) совпадает с известной формулой, описывающей давление в отраженной от препятствия волне: P_отр=2·P₀. При условии s=S, то есть при условии отсутствия поршня, формула (2) также приводит к ожидаемому результату: P_отр=P₀, соответствующему свободному, без отражения от поршня, прохождению волны по скважине.

При стандартной величине внутреннего диаметра скважины D_скв, равной 13 см, и диаметре поршня D_прш, равном 12,4 см, формула (2) дает следующую оценку давления в отраженной волне: P_отр≈2·P₀·0,92, то есть, при указанном диаметре поршня степень отражения падающей на поршень волны будет составлять более, чем 90% от величины давления в волне, отраженной от поршня, плотно, без зазора, прилегающего к стенкам скважины. Таким образом, можно заключить, что даже неполноразмерный поршень, который технологически достаточно просто перемещать по стволу скважины, может вполне эффективно ограничивать зону воздействия импульсов давления на продуктивный пласт. Описанные закономерности отражения набегающей волны давления относятся как к случаю волн сжатия, так и волн разрежения давления.

Вместе с тем, технологически невозможно использовать поршни неограниченной или достаточно большой длины в стволе скважины, всегда имеющем некоторую искривленность или отложения различной природы на стенках, то есть, реально применяемые поршни должны иметь конечную и достаточно малую продольную длину.

Рассмотрим особенности взаимодействия набегающей на поршень конечной длины L_прш, (см), подвешенный на колонне труб или на кабеле (фиг. 1б), ударной волны длиной L_уд, (см). Отметим, что длина волны давления L_уд связана с продолжительностью по времени импульса давления τ (с) соотношением L_уд=c_ж·τ.

После момента отражения набегающей на поршень ударной волны по кольцевому пространству вверх будет распространяться ударная волна, которая отразится от верхней границы поршня волной разрежения, распространяющейся вниз. Эта волна разрежения, достигнув нижней границы поршня, ослабит набегающую на поршень волну, то есть, уменьшит величину P_отр, которая до этого момента будет определяться формулой (2). Другими словами, до момента прихода по кольцевому пространству волны, отраженной от верхней границы поршня, отражение набегающей волны от поршня будет происходить так, как если бы поршень имел бесконечную длину. Отсюда следует, что для обеспечения максимально эффективного отражения волны давления от поршня необходимо, чтобы длина поршня удовлетворяла условию

а оптимальным с позиций минимизации длины поршня является выполнение условия

При выполнении условия (4) набегающая на поршень волна давления конечной длины L_уд полностью отразится от поршня, не испытывая влияния отраженной от его верхней границы волны разрежения.

Заметим, что в случае, если длина поршня не удовлетворяет условиям (3) или (4), то давление в отраженной волне P_отр будет меньшим его максимально возможного значения или будет меньшим интеграл давления по длине импульса. Так, если давление в набегающей волне имеет вид ступеньки, то снижение эффективности отражения от поршня малой длины будет проявляться в виде укорачивания по времени фазы максимального значения P_отр. В случае, если распределение давления в набегающей волне имеет вид синусоиды, максимальное значение которой достигается в момент времени τ/2, то соответствующее максимальное значение давления P_отр в отраженной волне будет все же достигаться, хотя импульс давления интегрально будет уменьшен, если длина поршня будет превышать величину 0,5·c_ж·τ/2. Это позволяет считать, что технологически значимый эффект отражения будет достигаться и при более слабом условии на длину поршня L_прш, чем условия (3) или (4):

которое и может считаться условием эффективного отражения набегающей волны от неполноразмерного поршня.

Условием, ограничивающим поперечные размеры поршня, является условие его проходимости по стволу скважины, определяемое процедурой шаблонирования ствола. Максимальный диаметр трубы-шаблона, способной перемещаться по стволу скважины, определяет и максимально допустимый диаметр поршня.

Необходимо отметить, что кроме условия максимально эффективного отражения набегающей волны давления от поршня практически значима и возможность ограничения величины знакопеременных нагрузок, передаваемых через поршень на колонну труб или на кабель, на которых генератор импульсов давления спускается в ствол скважины. При достаточно коротких по времени τ импульсах давления эти нагрузки могут быть существенным образом снижены следующим образом.

Рассмотрим процесс распространения импульса сжатия по поршню конечной длины и особенности передачи волновой нагрузки, например, на кабель, на котором подвешен этот поршень (фиг. 1б).

После момента отражения набегающей волны сжатия от нижней границы поршня по поршню вверх распространяется ударная волна, которая отражается от верхней границы поршня волной разрежения, а по кабелю начинает распространяться волна сжатия.

Важно отметить, что если время действия т набегающей на поршень волны сжатия будет достаточно большим, то волновая нагрузка на кабель при многократном пробеге волны по поршню и отражении от его границ будет постепенно увеличиваться. Вместе с тем, в случае, когда время действия т набегающей на поршень волны сжатия будет меньше времени пробега ударной волны до верхней границы поршня и обратно, до его нижней границы, роста волновой нагрузки на кабель происходить не будет. Аналогично оценкам, приведенным выше для волновых процессов в жидкости в кольцевом пространстве между поршнем и стенкой скважины, оптимальная длина поршня с позиций снижения нагрузки на кабель будет определяться формулой

где через c_ст обозначена скорость звука в материале поршня (стали), а точнее, скорость продольных звуковых волн в стержне из материала поршня. Более общее условие на размер поршня имеет вид

С учетом возможной синусоидальной формы импульса давления окончательная формула, определяющая длину поршня, при которой происходит существенное ограничение волновой нагрузки на кабель, может быть определена в виде:

В случае, когда забой скважины расположен достаточно близко к интервалу перфорации продуктивного пласта, то поверхность забоя является естественным эффективным отражающим экраном для импульсов давления.

Если же продуктивный пласт удален от поверхности забоя скважины, то целесообразно под генератором импульсов давления установить аналогичный поршень, ограничивающий интервал ударно-волнового воздействия снизу.

Работает устройство следующим образом. В скважине, выбранной для проведения технологии ударно-волнового воздействия на продуктивный пласт с помощью генератора импульсов давления, предварительно путем спуска трубы-шаблона определяют максимально допустимый поперечный размер поршня. По известной для данного типа генератора продолжительности действия импульса давления т.с помощью формул (3)-(8) определяют следующие из этих формул количественные оценки для продольной длины поршня, обеспечивающей эффективное отражение ударных импульсов, то есть, эффективную локализацию интервала ударно-волнового воздействия на продуктивный пласт. Если технологически допустимо применение поршней с оптимальной длиной, определяемой формулами (4) или (6), то наиболее целесообразно использовать поршни именно такой длины.

В компоновку для ударно-волнового воздействия (фиг. 2) вместе с генератором импульсов давления 1 включается поршень 2 с указанными параметрами, который устанавливается на кабеле или колонне труб 3 над генератором на расстоянии, определяющем интервал воздействия на пласт. При необходимости ограничения этого интервала снизу в компоновку включается второй поршень, устанавливаемый под генератором (на фиг. 2 не показан). Собранная компоновка спускается в скважину и производится ударно-волновое воздействие на перфорированный интервал 4 (или его ограниченную установленными поршнями часть) продуктивного пласта. Схема распространения ударно-волновых импульсов давления в стволе скважины и ее призабойной зоне показана на фиг. 2 пунктирными линиями.

Пример конкретного применения устройства. Для проведения ударно-волновой обработки продуктивного пласта в скважине с внутренним диаметром обсадных труб D_скв=13 см и забоем, близко расположенным к интервалу перфорации продуктивного пласта, выбрано устройство электроразрядного типа (генератор плазменно-импульсного воздействия, патент РФ №2373386, 01.07.2008) с продолжительностью импульса давления τ=53 мкс =0,000053 с. Предварительно проведенное шаблонирование ствола скважины показало, что труба-шаблон с диаметром 12,4 см беспрепятственно перемещается по ее стволу, то есть диаметр поршня может быть выбран равным D_прш=12,4 см, что обеспечивает более чем 90% отражения ударно-волновых импульсов таким поршнем.

При использовании стального поршня и скорости продольных волн c_ст=505000 см/с в стальном стержне, формула (6), определяющая продольную длину поршня, оптимальную с позиций ограничения волновой нагрузки на кабель и, одновременно, удовлетворяющую условию (3) для обеспечения эффективного отражения поршнем ударных волн в жидкости, дает следующую величину для длины поршня: L_прш=13,4 см.

Таким образом, стальной поршень диаметром D_прш=12,4 см и длиной L_прш=13,4 см, установленный над указанным выше генератором электроразрядного типа будет являться экраном, эффективно, до 90% отражающим импульсы давления.

Собирается компоновка, включающая генератор плазменно-импульсного воздействия и поршень с указанными параметрами, установленный над генератором, и на кабеле, как схематично показано на фиг. 2, эта компоновка спускается до уровня продуктивного пласта, где производится ударно-волновое воздействие на пласт. Зона воздействия будет ограничена забоем скважины и уровнем установки поршня.

Заявляемое устройство экономично, эффективно в использовании и не привносит существенных изменений в технологии ударно-волнового воздействия на продуктивные пласты существующими генераторами импульсов давления.

Claims

1. Скважинное устройство для ударно-волнового воздействия на продуктивные пласты, включающее генератор импульсов давления, размещенный в стволе скважины на колонне труб или на кабеле, отличающееся тем, что над генератором установлен поршень, продольный размер которого удовлетворяет условию:

L_прш>0,25·с_ж·τ,

или условию:

L_прш>0,25·с_ст·τ,

где L_прш - продольная длина поршня, см;

с_ж - скорость звука в жидкости в стволе скважины в зоне установки генератора импульсов давления, см/с;

с_ст - скорость продольных звуковых волн в стержне из материала поршня, см/с;

τ - длительность по времени импульса давления, с.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что под генератором импульсов давления дополнительно установлен аналогичный поршень.