RU155610U1 - Устройство для ударно-волнового воздействия на продуктивные пласты - Google Patents

Abstract

Устройство для ударно-волнового воздействия на продуктивные пласты, включающее станок-качалку, колонну штанг, генератор гидроударных волн, размещенный в стволе скважины на насосно-компрессорных трубах, отличающееся тем, что под генератором гидроударных волн дополнительно установлена колонна насосно-компрессорных труб с заглушенными концами.

Description

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

Известны способы и скважинные 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; Pat. US 6899175 B2, 31.05.2005 и др.). Ударно-волновое воздействие на породу-коллектор нефти и газа, осуществляемое генерированием гидроударных волн в стволе скважины, 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 (гидроударные) процессы в жидкости, заполняющей ствол скважины, инициируются различными генераторами гидроударных волн - генераторами, основанными на создании изолированных зон пониженного или повышенного давления в жидкости, с последующей быстрой разгерметизацией этих зон, а также генераторами электроразрядного типа, вызывающих развитие процессов взрывного типа в жидкости. При этом расстояние от места размещения генератора в стволе скважины до ее забоя (естественного или искусственного), являющегося отражающим экраном для импульсов гидродинамического давления, определяет интервал основного воздействия на горную породу и влияет на частотные характеристики волнового процесса, развивающегося в стволе скважины, и, соответственно, на частотные характеристики волнового воздействия на горную породу вокруг скважины.

Недостатком существующих способов и средств возбуждения ударно-волновых процессов в стволе скважины является снижение эффективности передачи импульсов давления в породу, обусловленное значительным уменьшением амплитуды гидроударных волн при их выходе из камеры сжатия (камеры разрежения, зоны электроразряда) в ствол скважины, имеющий значительно большую эффективную площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения рабочей камеры генератора импульсов давления.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является гидроударное устройство (Pat. US 6899175 B2, 31.05.2005; Борткевич СВ., Вуден В.О., Костров С.А. Гидроударная технология для повышения нефтедобычи и нефтеотдачи // Нефтегазовые технологии. - 2005. - №6. - с. 5-6.), состоящее из двух модифицированных стандартных штанговых насосов, которые, в свою очередь, состоят из двух плунжеров и цилиндров различного размера, соединенных между собой с помощью штанг, при этом верхняя насосная пара (плунжер-цилиндр) имеет меньший диаметр, нижняя - больший. Между цилиндрами расположена камера сжатия, выполненная из насосно-компрессорных труб большого диаметра, насосные пары связаны колонной штанг со станком-качалкой.

При одновременном движении плунжеров вверх, обусловленном работой станка-качалки, за счет разницы диаметров плунжеров происходит сжатие жидкости в камере сжатия. В момент выхода нижнего плунжера из верхнего конца цилиндра происходит быстрая (~40-50 мс) разгрузка давления в жидкости в этой камере, сопровождающаяся формированием и распространением гидроударной волны сжатия в стволе скважины, воздействующей через обсадные трубы на горную породу в приствольной зоне скважины. Процесс формирования гидроударной волны происходит при каждом ходе вверх колонны штанг, соединяющих генератор гидроударных волн со станком-качалкой.

Для большей локализации генерируемых ударных волн в интервале воздействия на породу предусмотрена установка элемента, изолирующего, полностью или частично, ствол скважины от кольцевого пространства ствола над генератором. Для снижения ударных нагрузок на станок-качалку предусмотрена установка демпфирующего устройства. Практически величина давления в камере сжатия может достигать 25-30 МПа, продолжительность непрерывной работы такого генератора гидроударных волн в скважине составляет 1-1.5 года.

Недостатком этого устройства является пониженная эффективность передачи импульсов давления в горную породу, обусловленная уменьшением амплитуды гидроударной волны при ее выходе из камеры сжатия в ствол скважины из-за большой разницы величины поперечного сечения камеры сжатия и ствола скважины.

Полезная модель обеспечивает повышение эффективности процесса передачи импульсов давления в породу путем снижения площади поперечного сечения гидродинамического канала в стволе скважины, по которому распространяются гидроударные волны, и соответствующего повышения амплитуды этих волн.

Техническая задача решается за счет включения в компоновку генератора гидроударных волн колонны труб с заглушенными концами, размещаемой в стволе скважины под этим генератором. Новым является увеличение интенсивности ударно-волнового воздействия на породу при прежней мощности генератора импульсов гидродинамического давления.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что существенное увеличение амплитуды гидроударных волн в стволе скважины может быть вполне эффективно осуществлено с помощью колонны стандартных насосно-компрессорных труб с заглушенными концами, размещаемой под генератором волн и снижающей площадь поперечного сечения гидродинамического канала в стволе скважины, по которому происходит распространение гидроударной волны и ее воздействие на горную породу.

Для обоснования этого утверждения рассмотрим особенности распространения волн давления, обусловленные начальной разницей давлений в покоящейся жидкости, заполняющей трубу, составленную из двух секций разного диаметра, разделенных к начальному моменту времени непроницаемой мембраной (Фиг. 1а). За нулевую точку отсчета давления принята величина меньшего давления в нижней секции с площадью поперечного сечения S (см²), давление в верхней секции площадью s (см²) обозначено параметром Р_mах (Па). Мембрана на фиг. 1а изображена пунктирной линией.

При быстром разрушении разделяющей мембраны формируется картина гидродинамических потоков, схематично представленная на фиг. 1б. Вверх, по трубе меньшего диаметра будет распространяться волна разгрузки (разрежения), которая на фиг.1б обозначена цифрой 1, вниз по трубе большего диаметра будет распространяться ударная волна сжатия, обозначенная цифрой 2 (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.).

Величина давления в волне (импульсе) сжатия, обозначенная через P_imp (Па), удовлетворяет условию

0<P_imp<P_max,

то есть, по жидкости, заполняющей нижнюю секцию, будет распространяться волна гидроудара с амплитудой P_imp, меньшей величины Ртах - величины начального давления в верхней секции.

Точное аналитическое выражение для величины P_imp имеет вид:

Формула (1) справедлива при следующих допущениях - жидкость, заполняющая составную трубу, однородная и слабосжимаемая, то есть, изменение давления и плотности в ней связаны линейной зависимостью; ударная волна, распространяющаяся по жидкости - слабая, то есть гидродинамические потоки описываются линеаризованными уравнениями и скорость распространения гидроударных волн равняется скорости звука. Эти допущения обосновываются тем, что при модулях объемного сжатия воды или нефти E (МПа), измеряемых величинами ~1000-2000 МПа, и амплитудах гидродинамических волн ΔP (МПа), измеряемых в рассматриваемых здесь процессах величинами ~20-30 МПа, отношение ΔP/E будет малой величиной, удовлетворяющей условию ΔP/E<<1, которое и является условием применимости линеаризованной теории гидродинамических процессов.

Согласно формуле (1) даже при распаде начального разрыва в трубе постоянного диаметра (S=s), заполненной жидкостью, амплитуда образующегося гидроудара будет равна половине величины давления в сжатой части трубы. При увеличении площади поперечного сечения S нижней секции, соответственно, уменьшается и амплитуда гидроударной волны, распространяющейся по этой секции. Это свойство ударных волн является естественным следствием законов сохранения массы и энергии в гидродинамических процессах - при выходе ударной волны из области меньших размеров в большую область происходит уменьшение интенсивности этой волны.

Применительно к процессам формирования гидроударных волн в стволе скважины при работе генератора гидроударов (фиг. 2а), аналогичным с физических позиций процессам, происходящим при быстром разрушении мембраны в составной трубе, анализ формулы (1) приводит к следующим результатам.

На фиг. 2а цифрой 1 обозначены обсадные трубы ствола скважины, цифрой 2 - колонна насосно-компрессорных труб, на которых в ствол скважины спущен генератор 3 гидроударных волн (изображен схематично), цифрой 4 обозначена колонна штанг. Цифрой 5 обозначено кольцевое пространство в стволе скважины, образованное внутренней поверхностью обсадных труб и внешней поверхностью камеры сжатия генератора, цифрой 6 - ствол скважины под генератором. Цифрой 7 обозначен элемент, изолирующий (полностью или частично) пространство ствола скважины 6 под генератором от кольцевого пространства 5.

Величину площади поперечного сечения камеры сжатия в дальнейшем будем обозначать параметром s (см²), площади поперечного сечения ствола скважины 6 через S₁ (см²), площади поперечного сечения кольцевого пространства 5 через S₂ (см²).

При выходе гидроударной волны из нижней части камеры сжатия в ствол скважины происходит ее расширение - гидроударная волна распространяется как по стволу 6 скважины площадью S₁, так и, при отсутствии изолирующего элемента 7, по кольцевому пространству 5 с площадью S₂. Таким образом, в данном случае суммарное эффективное значение параметра S, входящего в формулу (1), будет равно S=S₁+S₂.

В случае, когда в компоновке генератора присутствует элемент 7 (например, пакер), полностью изолирующий кольцевое пространство 5 от ствола скважины 6, параметр S в формуле (1) будет определяться выражением S=S₁.

Для конкретных расчетов амплитуды гидроудара при работе генератора гидроударных волн в скважине будем предполагать, что ствол скважины обсажен стандартными обсадными трубами с внешним диаметром 146 мм, толщиной стенки, равной 8 мм, то есть внутренний диаметр обсадных труб равен 130 мм, соответственно, S₁=132.73 см².

Примем, что камера сжатия генератора выполнена из труб с внешним диаметром 114 мм, толщиной стенки - 7 мм, соответственно, площадь s поперечного сечения этой камеры равна 78.54 см², площадь S₂ кольцевого пространства 5 (фиг. 2а) равна 30.66 см².

Подстановка указанных значений параметров s, S (определяемого значениями S₁, S₂) в формулу (1) приводит к следующим результатам, приведенным в табл. 1.

Здесь выражение «без изоляции» означает отсутствие в компоновке изолирующего элемента 7, выражение «с полной изоляцией» означает, что изолирующий элемент 7 полностью перекрывает кольцевое пространство, то есть гидроударная волна может распространяться только в той части ствола скважины, которая расположена под генератором гидроударов.

Как следует из табл. 1, при стандартной компоновке генератора гидроударов отличие амплитуды P_imp гидроудара, распространяющегося по стволу скважины и вобуждающего ударно-волновые импульсы в приствольной зоне скважины, существенно, в разы, меньше величины максимального давления Ртах в камере сжатия из-за увеличения площади поперечного сечения канала распространения гидродинамической волны. Полное изолирование верхней части ствола (кольцевого пространства скважины), возможное, например, в случае, когда в качестве изолирующего элемента используется пакер, в данном случае повышает амплитуду гидроудара примерно на 1 МПа.

Из вышеизложенного следует, что если каким-либо образом уменьшить площадь поперечного сечения гидродинамического канала в стволе скважины, по которому распространяется гидроударная волна, то это приведет к повышению амплитуды этой волны и, соответственно, к увеличению интенсивности воздействия этой волны на породу в приствольной зоне скважины.

Представляется целесообразным уменьшить площадь поперечного сечения этого канала с помощью колонны 8 насосно-компрессорных труб с заглушенными концами (для увеличения эффективной величины площади поперечного сечения колонны труб), размещенной в стволе скважины под генератором гидроударных волн (фиг. 2б). Для извлечения этой колонны из скважины предусматривается элемент 9, связывающий колонну труб с генератором. При этом для предупреждения передачи к генератору избыточных вибраций, развивающихся в колонне 8 от действия гидроударов, связывающий элемент 9 при работе генератора должен находиться в ненапряженном состоянии. Это может быть достигнуто при использовании в качестве связывающего элемента тросов или стержней с возможностью продольного смещения этих стержней в местах крепления к колонне труб или к генератору. При спуске компоновки гидроударного устройства в скважину после момента достижения нижним концом компоновки забоя скважины должно быть произведено дополнительное (на несколько см) смещение компоновки вниз, что разгрузит связывающий элемент (тросы) и, по существу, разобщит генератор и расположенную ниже него колонну насосно-компрессорных труб.

На фиг. 2б колонна труб 8 изображена расположенной по центру скважины, в действительности, когда напряжение в связывающем элементе отсутствует, колонна 8 будет касаться стенок скважины. Для рассматриваемых здесь гидроударных процессов, развивающихся в стволе скважины, это не имеет принципиального значения, поскольку площадь поперечного сечения гидродинамического канала не меняется при изменении положения колонны труб в стволе скважины.

На фиг. 2б цифрой 5, как и на фиг. 2а, обозначено кольцевое пространство между генератором и стенками скважины (с площадью поперечного сечения S₂), цифрой 10 - кольцевое пространство (с площадью поперечного сечения S₁) между спущенной колонной труб и стенками скважины.

Эффективность включения в компоновку генератора гидроударных волн дополнительной колонны труб, уменьшающей площадь поперечного сечения гидродинамического канала, по которому распространяются гидроударные волны, подтверждается следующими расчетами, приведенными в табл. 2.

Приведенные в табл. 2 результаты показывают, что включение в компоновку генератора гидроударных волн колонны насосно-компрессорных труб, размещаемых в стволе скважины под этим генератором, действительно существенно увеличивает амплитуду гидроударных волн и, соответственно, эффективность ударно-волнового воздействия на горную породу при той же мощности генератора. При этом, как следует из приведенных в табл. 2 данных, увеличение диаметра спускаемой колонны заметно повышает амплитуду гидроударной волны и, кроме того, полное изолирование кольцевого пространства ствола скважины в данном случае также значимо повышает эту амплитуду.

Как уже отмечалось выше, идеальным элементом, полностью изолирующим кольцевое пространство между генератором и стенками скважины от ее ствола под генератором, является пакер. Вместе с тем, необходимо учитывать, что при длительной по времени (1-1.5 года) работе генератора в скважине в условиях воздействия высокоамплитудными гидроударными волнами пакеры существующих конструкций неизбежным образом будут терять свою работоспособность. На практике, вместо пакеров могут использоваться изолирующие элементы типа неполноразмерных круглых поршней (дисков) с малым зазором между внешними кромками этих элементов и стенками скважины, устанавливаемых на насосно-компрессорных трубах, но, как будет показано ниже, такой единичный изолирующий элемент в рассматриваемых условиях работы генератора будет неэффективен.

Это объясняется тем, что длина формируемого генератором импульса сжатия в скважине определяется длиной камеры сжатия - длина импульса сжатия равна удвоенной длине этой камеры, то есть, расстоянию, пробегаемому волной разгрузки от нижнего конца камеры до верхнего и обратно. Для практически используемых генераторов эта длина оценивается величиной ~50-60 м, что на порядки больше толщины реально применяемых изолирующих элементов, измеряемой величинами ~1 см. При взаимодействии гидродинамического импульса с препятствием, длина которого много меньше длины этого импульса, быстро (по сравнению с длительностью по времени импульса давления) устанавливается режим квазистационарного обтекания этого препятствия, то есть, препятствие в таких условиях, по существу, будет выполнять роль местного сопротивления.

Приведем числовые оценки гидродинамического сопротивления, оказываемого круглым диском, установленным на насосно-компрессорной трубе с зазором δ (мм) по радиусу между внешней кромкой диска и внутренней поверхностью обсадной трубы.

Перепад давления ΔP (дин/см²), расходуемый на обтекание такого препятствия будет определяться формулой вида (Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. - М.: Недра, 1982. - 224 с.):

Здесь ρ - плотность жидкости (г/см³), и - средняя скорость движения жидкости в кольцевом зазоре (см/с), u_max - максимальная скорость движения жидкости в наиболее узком месте между внешней кромкой диска и стенкой обсадной трубы (см/с). Величина множителя ξ, определяется формой кромок диска и практически находится в диапазоне 1.5-2.

Для примера будем рассматривать случай обтекания водой (ρ=1 г/см³) диска с зазором по радиусу δ=3 мм (внутренний диаметр скважины, как и ранее, принимается равным 130 мм, внешний диаметр насосно-компрессорных труб принимается равным 114 мм) со скоростью, соответствующей скорости потока и в ударной волне с амплитудой Р=10 МПа. Эта скорость связана с величиной давления в ударной волне известным соотношением (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1987. - 840 с.):

Р=ρ·c·u,

где c - скорость звука в жидкости, при этом далее принимаем, что для воды c=1500 м/с.

Из приведенной формулы следует, что скорость и в ударной волне с амплитудой P=10 МПа будет равна 666.67 см/с. При указанных выше параметрах изолирующего диска, насосно-компрессорных и обсадных труб величина u_max будет равна 1707.6 см/с. В этом случае формула (2) при значении ξ=2 приводит к следующему результату:

ΔP=1.1·10⁶ дин/см²=0.11 МПа,

то есть, гидроударная волна с амплитудой 10 МПа, взаимодействуя с таким препятствием, теряет примерно 1% своей амплитуды. Даже если учесть, что при заостренных внешних кромках диска, направленных под некоторым углом к набегающему потоку, сопротивление увеличивается в 3-4 раза (Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. - М.: Недра, 1982. - 224 с.), то все равно, сопротивление, а, значит, и изолирующая способность такого препятствия остаются низкими.

Отсюда следует, что для увеличения эффективности изолирующих элементов целесообразно использовать батарею, состоящую из нескольких десятков таких элементов, что приблизит отражающую способность такой батареи к максимально возможной. Для предотвращения взаимовлияния элементов батареи их следует устанавливать на расстоянии, равном, примерно, 4-5-кратной величине выступа препятствия над поверхностью насосно-компрессорной трубы, то есть, практически, на одном метре трубы может быть размещено 15-20 таких элементов.

Применяется устройство способом, аналогичным применению гидроударного устройства по патенту (Pat. US 6899175 B2, 31.05.2005). Дополнительно, в скважине, выбранной для проведения технологии ударно-волнового воздействия на продуктивный пласт с помощью генератора гидроударных волн, путем спуска трубы-шаблона определяют максимально допустимый диаметр колонны насосно-компрессорных труб, устанавливаемой в компоновке под генератором. Для усиления амплитуды гидроударов в компоновке, над зоной выхода ударных волн из камеры сжатия, может быть устанавлена батарея неполноразмерных дисков. Под генератором на связывающем элементе (тросе) устанавливается колонна насосно-компрессорных труб с заглушенными концами и производится спуск всей гидроударной компоновки в скважину. После достижения нижним концом колонны забоя скважины, естественного или искусственного, для снятия напряжений в связывающем элементе, компоновку приспускают еще на несколько сантиметров. Далее устройство запускается в работу.

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)

1. Устройство для ударно-волнового воздействия на продуктивные пласты, включающее станок-качалку, колонну штанг, генератор гидроударных волн, размещенный в стволе скважины на насосно-компрессорных трубах, отличающееся тем, что под генератором гидроударных волн дополнительно установлена колонна насосно-компрессорных труб с заглушенными концами.

   

Images