RU2261990C2 - Способ термогазодинамического воздействия на пласт и твердотопливный заряд для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для воздействия на призабойную зону в условиях ее сильного загрязнения парафиновыми, асфальто-смолистыми, солевыми, шламовыми и другими отложениями и для повышения нефтеотдачи. Обеспечивает повышение эффективности воздействия на пласт и призабойную зону пласта упругими колебаниями путем увеличения охвата воздействием при снижении энергозатрат, создания наиболее благоприятных условий для развития процессов необратимого трещинообразования и достижения целенаправленного триггерного воздействия. Сущность изобретения: способ включает сжигание в скважине твердотопливных зарядов и создание последовательных импульсов избыточного давления газообразных продуктов их горения. В процессе сжигания твердотопливных зарядов обеспечивают периодическое скачкообразное изменение площади и температуры их горения. При этом регулируют выход газов в скважину для создания одновременно и импульсов избыточного давления газообразных продуктов горения с частотой следования, соответствующей временным фрактальным процессам усталостного развития трещин в геологической среде пласта, и упругих колебаний давления с частотой 0,5-800 Гц, воздействующих на матрицу структуры пласта и насыщающие его флюиды и кольматанты. 2 с. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для воздействия на пласт с целью повышения нефтеотдачи, а также для воздействия на призабойную зону скважин в условиях сильного загрязнения парафиновыми, асфальтосмолистыми, солевыми, шламовыми и другими отложениями с целью повышения продуктивности скважин.

Известен способ термогазохимического воздействия на призабойную зону скважин и пласт, включающий горение твердых пороховых составов и жидких горюче-окислительных составов без герметичных камер на забое скважины (Патент РФ №1480412, кл. Е 21 В 42/24). Известен также способ, реализуемый при работе устройства для термогазохимической обработки продуктивного пласта, включающий сжигание на забое скважины твердых баллиститных порохов в вибрационном и/или пульсирующем режиме горения (Патент РФ №2071556, кл. Е 21 В 43/26).

Эффективность обработки призабойной зоны скважин и воздействия на пласт с применением данных способов невелика, так как они не обеспечивают благоприятного развития каналов фильтрации и трещин как по толщине, так и простиранию пласта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ обработки пласта, включающий при воздействии на пласт газообразными продуктами горения создание последовательных импульсов избыточного давления с амплитудой и длительностью первого импульса, достаточными для раскрытия естественных трещин и создания микротрещин, амплитудой и длительностью последующего импульса, по крайней мере равными амплитуде и длительности первого импульса (Патент №2106485, кл. Е 21 В 43/263).

Недостатком известного способа является невысокая эффективность воздействия на пласт. При создании каждого единичного импульса повышенного давления соблюдаются лишь требования по его длительности и амплитуде, необходимые для развития единичной трещины, проходящей по наиболее ослабленной, как правило, наиболее проницаемой зоне пласта вблизи скважины, и не выполняются оптимальные соотношения длительностей как нагрузки, так и разгрузки, требуемые для эффективного развития усталостного процесса разрушения в геологической среде, приводящего к эффективному трещинообразованию и по простиранию, и по толщине. Кроме того, отсутствуют условия для инициирования микро- и макроперестройки матрицы геологической среды по системе образующихся трещин и разрывов. Не достигаются полезные изменения проницаемости призабойной зоны пласта (ПЗП) и не выполняются условия для благоприятных изменений полей напряжений и насыщенностей в ПЗП и в пласте в целом, которые приводили бы не только к увеличению притока к скважине, но и к повышению нефтеотдачи пласта.

Известен заряд бескорпусный секционный для газогидравлического воздействия на пласт - ПГД БК, включающий узел воспламенения, пороховые секции, изготовленные из твердого ракетного топлива с центральным каналом, по поверхности которого происходит горение (Фридляндер Л.Я. и др. Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник. М.: Недра, 1990, с.109-112). Известное устройство не позволяет осуществлять торцевое горение пороховых шашек в замкнутом полом корпусе и регулирование выхода пороховых газов в скважину.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является термогазохимический заряд, описанный в устройстве для обработки ПЗП (Патент РФ №2200832, кл. Е 21 В 43/25), включающий воспламенитель, соединенный электрическими проводами с наземным пультом управления и термогазохимический источник, помещенный в полый корпус, который может быть выполнен из соединенных друг с другом цилиндрических пороховых шашек. Данный заряд позволяет регулировать выход пороховых газов в скважину, но не обеспечивает периодического скачкообразного изменения площади горения и температуры во время его сжигания.

Задачей изобретения является повышение эффективности воздействия на пласт и призабойную зону путем создания наиболее благоприятных условий для процессов развития необратимого трещинообразования в полном объеме геологической среды пласта и достижения максимального отклика пласта на триггерное воздействие упругими колебаниями, увеличения охвата пласта воздействием при снижении энергозатрат, расширение функциональных возможностей способа и заряда.

Для решения поставленной задачи в известном способе обработки ПЗП, включающем сжигание твердотопливных зарядов и создание в скважине последовательных импульсов избыточного давления газообразных продуктов их горения, согласно изобретению в процессе сжигания твердотопливных зарядов обеспечивают периодическое скачкообразное изменение площади и температуры горения твердотопливных зарядов, при этом регулируют выход газов в скважину для создания одновременно импульсов повышенного газоприхода продуктов горения в пласт с частотой следования, соответствующей временным фрактальным процессам усталостного развития трещин в геологической среде пласта, и упругих колебаний давления, воздействующих на матрицу структуры пласта, насыщающие его флюиды и кольматанты.

Вышеуказанные отличительные от прототипа признаки предложенного способа определяют при сжигании твердотопливных зарядов получение нового режима воздействия на пласт, который проявляется в новых эффектах необратимого изменения проницаемости геологической среды, в усилении и возникновении новых эффектов воздействия упругими колебаниями, связанных с использованием собственной энергии пласта, резком увеличении охвата пласта по толщине и по простиранию, инициировании благоприятных изменений полей напряжений и насыщенностей, способствующих притоку нефти к скважине и увеличению нефтеотдачи пласта.

Для повышения эффективности воздействия целесообразно до сжигания в скважине твердотопливных зарядов проводить исследования параметров акустической эмиссии обрабатываемой геологической среды пласта, по результатам которых задавать частоту следования создаваемых импульсов повышенного газоприхода продуктов горения в пласт.

При этом оптимально частоту следования создаваемых импульсов повышенного газоприхода продуктов горения в пласт задавать в диапазоне 0,01-10 Гц.

Для достижения максимальных благоприятных изменений проницаемости ПЗП и в целом полей насыщенности по пласту целесообразно упругие колебания давления создавать с частотами, соответствующими интенсифицированию процессов тепломассопереноса в пласте и максимальному снижению эффективной вязкости насыщающих его флюидов и кольматантов, например, в диапазоне частот 0,5-800 Гц.

С целью повышения эффективности воздействия упругие колебания давления возможно создавать одновременно с разными частотами регулярными и/или нерегулярными.

При этом упругие колебания давления следует создавать с частотами, которые возможно определять по результатам предварительно проведенных на кернах пласта лабораторных исследований фильтрационных явлений тепломассопереноса и исследований реологического поведения пластовых флюидов и кольматантов в поле упругих колебаний.

Также в этих целях упругие низкочастотные колебания давления следует создавать с частотами, соответствующими максимальному развитию процессов динамической перестройки матрицы геологической среды пласта на микро- и макроуровне структурной иерархии.

При этом возможно до сжигания в скважине твердотопливных зарядов проводить исследования микросейсмического отклика пласта на вибросейсмическое воздействие, по результатам которых задавать частоту упругих колебаний давления.

Наиболее эффективно в процессе сжигания твердотопливных зарядов фазы скачкообразного изменения площади горения и температуры осуществлять с увеличением данных параметров. При этом для увеличения времени и эффективности воздействия целесообразно процесс сжигания твердотопливных зарядов между фазами скачкообразного изменения площади горения и температуры осуществлять с пониженной скоростью. В данные временные промежутки обеспечивается пониженный выход пороховых газов в пласт и происходит полезная разгрузка геологической среды пласта от избыточного давления предыдущего импульса повышенного газоприхода.

Для достижения максимальной глубины раскрытия сети трещин целесообразно в начальной и/или конечной стадиях сжигания, по крайней мере, одну фазу скачкообразного изменения площади горения и температуры осуществлять с резко увеличенным, по отношению к предшествовавшим фазам, значением изменений вышеуказанных параметров.

Для регулирования объема внедрения в пласт пороховых газов и амплитуды импульсов давления пороховых газов до сжигания твердотопливных зарядов трубное пространство скважины выше глубинного оборудования целесообразно пакеровать и/или производить герметизацию устья скважины клапанным устройством.

С этой же целью технологически целесообразно до сжигания твердотопливных зарядов трубное пространство скважины выше глубинного оборудования заполнять вязкой жидкостью, обладающей неньютоновскими свойствами, например водным раствором полиакриламида. При этом в моменты резкого возрастания давления также резко возрастает сопротивление движению данной жидкости, и она выполняет роль эффективного "жидкого пакера", увеличивающего амплитуды давлений импульсов газоприходов в скважину. Кроме того, уменьшается непроизводительный уход пороховых газов вверх по колонне скважины.

Для повышения эффективности обработки в осложненных условиях сильной загрязненности и пониженной проницаемости ПЗП целесообразно в процессе сжигания твердотопливных зарядов заполнять трубное пространство скважины выше глубинного оборудования пеной. Пенообразование происходит при добавлении пенообразующего и пеностабилизирующего вещества в зону барботирования воды пороховыми газами в трубном пространстве скважины. Благодаря этому возрастает продолжительность излива и объем изливающейся из скважины жидкости во время обработки, время депрессии на пласт и ее величина, повышается глубина проникновения горячих газов и степень очистки ПЗП. Пенообразующее и пеностабилизирующее вещества могут добавляться непосредственно в заполняющую скважину жидкость (вода, нефть) или доставляться на забой с помощью скважинного глубинного оборудования.

В определенных геолого-физических условиях для повышения эффективности обработки можно до сжигания твердотопливных зарядов трубное пространство скважины заполнять раствором химреагентов, например кислот, щелочей.

Для увеличения глубины прогрева пласта и проницаемости ПЗП целесообразно в процессе сжигания твердотопливных зарядов в пласт задавливать тепловыделяющие составы, например суспензии или порошки щелочных металлов, выделяющие тепло в результате химического взаимодействия с водой или растворами кислот. Данные составы могут доставляться на забой с помощью скважинного глубинного оборудования в специальных контейнерах, разрушающихся в момент сжигания твердотопливных зарядов.

В определенных условиях возможно осуществление способа в нескольких последовательных стадиях доставки и сжигания твердотопливных зарядов на забое скважины. Доставка может осуществляться при помощи кабеля или на спускаемых трубах. При этом между данными стадиями возможно проведение в скважине дополнительных операций, например химреагентных обработок. Кроме того, на второй или другой последующей стадии доставки твердотопливных зарядов можно обеспечивать на забое скважины оптимальные условия, с точки зрения создания такого забойного давления, что при сжигании пороховых шашек и получении в начальной фазе скачкообразного изменения площади горения и температуры импульсов повышенного газоприхода продуктов горения в пласт, их амплитуда давления будет превышать давление разрыва пласта. При этом на первой стадии будет осуществляться очистка пористой среды пласта и предварительное накопление микротрещин и зародышей трещинообразования, а на второй - эффективное изменение проницаемости с объемным развитием трещинообразования по толщине и глубине пласта.

В осложненных условиях для пластов с пониженной проницаемостью оптимально до сжигания твердотопливного заряда провести в скважине дополнительную перфорацию продуктивного пласта.

Поставленная задача решается также тем, что в известном твердотопливном заряде для обработки пласта, состоящем из соединенных друг с другом цилиндрических пороховых шашек, размещенных в полом корпусе с воспламенителем, соединенным электрическими проводами с наземным пунктом управления, согласно изобретению составляющие его пороховые шашки выполнены с бронированной боковой поверхностью для обеспечения торцевого послойного горения порохового состава, при этом данные пороховые шашки изготовлены с открытыми торцевыми поверхностями с цилиндрическим выступом с одного торца и соответствующим углублением с противоположного торца и собраны в полом корпусе в единое целое по контактам указанных выше выступов-углублений, причем нижний конец полого корпуса заглушен, а верхний снабжен регулятором расхода пороховых газов.

Для обеспечения оптимальных условий торцевого послойного горения порохового состава целесообразно составляющие твердотопливный заряд пороховые шашки по сечениям между углублениями и выступами выполнять сплошными.

Для регулирования амплитуд импульсов повышенного газоприхода возможно с торцевой поверхности, по крайней мере, одной сплошной пороховой шашки по оси выполнять дополнительное углубление-канал. При этом для обеспечения оптимальных условий горения целесообразно от дополнительного углубления-канала по направлению к боковой поверхности пороховой шашки выполнять газовыпускные каналы.

Для достижения максимальных амплитуд импульсов повышенного газоприхода продуктов горения в пласт дополнительное углубление-канал в пороховой шашке можно выполнять сквозным.

Для повышения времени воздействия и обеспечения оптимальных условий воздействия на геологическую среду пласта целесообразно твердотопливный заряд собирать с чередованием сплошных цилиндрических пороховых шашек и шашек, выполненных с дополнительными углублениями-каналами.

Для обеспечения резкого повышения газоприхода в начальной и/или конечной стадиях сжигания целесообразно твердотопливный заряд снабжать, по крайней мере, одной дополнительной цилиндрической пороховой шашкой, выполненной с открытой боковой поверхностью и со сплошным осевым профилированным каналом. При этом одна или несколько дополнительных пороховых шашек могут размещаться в полом корпусе при сборе твердотопливного заряда в его противоположном от воспламенителя конце и/или в любом месте между стыками пороховых шашек с соблюдением условий поджигания с торцевых поверхностей.

При этом оптимально выполнение дополнительной цилиндрической пороховой шашки с площадью боковой поверхности осевого профилированного канала равной площади открытой боковой поверхности.

В качестве регулятора расхода твердотопливного заряда целесообразно использовать сопло Лаваля.

Для дополнительных возможностей регулирования выхода пороховых газов в пласт целесообразно в полом корпусе твердотопливного заряда выполнять сбросовый клапан.

В предложенном изобретении реализуется новый более эффективный механизм воздействия на насыщенную геологическую среду как в призабойной зоне, так и по глубине пласта, связанный с необратимым объемным трещинообразованием, перестройкой структурной матрицы пород под действием естественных горных напряжений, возникновением новых распределений градиентов внутрипоровых давлений и фильтрационных полей, обеспечивающих дополнительную нефтеотдачу пластов.

Как известно, матрица геологической среды обладает блочно-фрактальной структурой. Распределение блоков, как и распределение разрывов сплошности, трещин подчиняется фрактальным законам, а сама порода образует вложенные друг в друга фрактально подобные структуры иерархии от микро- до макроуровня. Упругие колебания и импульсы оказывают весьма существенное влияние на характер поведения геоматериалов под механическими напряжениями, влияя на пластичность, на кинетику накопления структурных дефектов, микро- и макротрещин и др. процессы. С точки зрения наиболее эффективного и глубокого воздействия на пласты наиболее важно реализовать триггерный эффект влияния упругих колебаний, который может возникать при воздействии упругих колебаний с относительно малыми амплитудами, на много порядков меньше среднего уровня напряжений в породах. Механизм триггерного эффекта неразрывно связан с блочно-фрактальными особенностями структуры геологической среды, а само влияние малых колебаний "зарождается" на самых низких микроуровнях структурной иерархии, выражаясь сначала в накоплении дилатонов, дислокаций прочности и зародышей микротрещин, при этом образованию микротрещин сопутствуют процессы определенного их "залечивания". Явление носит вероятностный характер, и при случайном появлении достаточно крупного скопления нарушений - кластера процесс скачкообразно переходит на более высокий уровень структурной иерархии, и так вплоть до развития уже макротрещин в среде. Процессы развития микро- и макротрещин сопровождаются определенными блоковыми подвижками и перестройкой матрицы структуры геологической среды также на разных иерархических уровнях и здесь важную роль играет флюидонасыщенность среды, а именно газонасыщенность флюидов, которая не только интенсифицирует процессы перестройки, но и является компонентом самоорганизации пластовой системы, которая происходит в результате триггерного воздействия упругими колебаниями и приводит к появлению новых долговременных внутрипоровых градиентов давления и фильтрации.

Максимальное развитие процесса блоковых сдвижек происходит по одному или по нескольким близко расположенным уровням структуры и приводит к генерации достаточно мощного микросейсмического отклика насыщенного флюидом пласта в узком низкочастотном диапазоне.

Применяя известные методы теории динамических систем для исследования амплитудно-частотных спектров акустической эмиссии (АЭ) и микросейсмического отклика, можно получить размерности странных аттракторов и другие фрактальные характеристики для оптимального управления процессами триггерного воздействия с целью максимального развития трещиноватости и изменения фильтрационных полей в пластах.

В известном изобретении (прототип) процесс триггерного воздействия практически не реализуется. Процесс раскрытия трещин и их развитие по пласту в структуре геологической среды начинаются непосредственно на ее макроуровнях и реализуются лишь вблизи скважины. Трещинообразование проходит по наиболее слабым и, как правило, высокопроницаемым участкам интервала пласта, а последующее повторение импульсов давления приводит лишь к незначительному разветвлению и удлинению одной или двух макротрещин. Кроме того, поскольку при создании микротрещин для образования новых фильтрационных полей в пластах требуется достаточно полное смачивание вновь образующейся поверхности породы пластовым флюидом, а характерные времена процессов смачивания и в целом фильтрационных процессов (в особенности для достаточно вязких структурированных флюидов, с заметным содержанием асфальтенов, смол и парафинов, а также при наличии кольматантов) в известном изобретении намного превышают характерные времена раскрытия трещин, то по окончании воздействия происходит смыкание образующихся микротрещин по "сухим" контактам и необратимого разветвленного трещинообразования не происходит. В результате воздействие не оказывает заметного положительного влияния ни на характеристики стоков-скважин, ни на фильтрационные поля пласта в целом.

При реализации предложенного изобретения создают импульсы повышенного газоприхода продуктов горения в пласт с частотой следования, соответствующей временным фрактальным процессам усталостного развития трещин. Данная частота определяется, например, по времени задержки реакции среды на триггерное воздействие и другим ее фрактальным параметрам. При этом процесс трещинообразования начинается с самых низких микроуровней структурной иерархии среды, при низких амплитудах импульсов повышенного газоприхода, и приводит к появлению разветвленной системы микро- и макротрещин в полном объеме среды пласта как вблизи скважины, так и в отдаленных по глубине зонах пласта.

Кроме того, одновременно с созданием импульсов давления с заданной частотой следования одновременно на геологическую среду пласта оказывают воздействие упругими колебаниями. Данное сочетание вызывает совершенно новые эффекты воздействия и определяет достижение новых положительных результатов. При данном воздействии существенно облегчаются и интенсифицируются процессы динамической перестройки матрицы геологической среды пласта, которые сопутствуют процессам трещинообразования, и которые собственно и являются необходимым условием изменения фильтрационных полей в пластах. Кроме того, благодаря воздействию упругими колебаниями на нефтегазонасыщенную среду пласта происходит разрушение вязких асфальто-смолистых, парафиновых и других загрязнений, повышается скорость и глубина проникновения горячих газов в пласт, существенно интенсифицируются теплопередача, фазовые переходы и химические реакции. Происходит существенное снижение эффективной вязкости пластовых флюидов, уменьшается гистерезис смачивания, инициируются и интенсифицируются фильтрационные процессы в низкопроницаемых каналах и микротрещинах геологической среды пласта. В результате характерные времена смачивания и фильтрации флюидов по вновь образующейся системе микротрещин становятся сопоставимы со временем воздействия, что определяет новое качество - образование необратимой разветвленной системы новых каналов фильтрации с изменением проницаемости, гидропроводности, пъезопроводности и в достаточно локальных объемах среды вблизи скважины, и в заметных областях пласта в целом.

Оптимально колебания давления создавать с частотами, при которых эффекты интенсифицирования процессов тепломассопереноса в пласте и снижения эффективной вязкости насыщающих его флюидов и кольматантов проявляются при минимальной плотности колебательной энергии, например, в диапазоне частот 0,5-800 Гц. При этом также незначительно затухание упругих волн в пластовой среде.

Выбор частот воздействия из данного диапазона в конкретной геолого-физической обстановке можно производить по результатам предварительно проведенных на кернах пласта лабораторных исследований фильтрационных явлений тепломассопереноса и исследований реологического поведения пластовых флюидов и кольматантов в поле упругих колебаний. Можно также осуществлять воздействие с частотами, которые определяются, например, по спектрам микросейсмического отклика. Процессы перестройки матрицы и разгрузки происходят при меньших напряжениях и концентрациях трещин, охватывают увеличенные области вблизи концентраторов напряжений по глубине пласта.

Существенно увеличенная глубина триггерного воздействия на пласт упругими колебаниями при осуществлении предлагаемого изобретения обуславливается тем, что процессы трещинообразования и перестройки матрицы, насыщенной углеводородным флюидом среды пласта, неразрывно связаны с относительно кратковременным, но мощным процессом разгазирования флюида высокого давления по вновь образующейся системе пустот-микротрещин, который протекает скачкообразно по принципу резонансной синхронизации и в целом определяет высокую энергетику и лавинообразность процесса отклика пласта, вызывает подпитывание энергии упругих волн за счет потенциальной энергии разгрузки геологической среды пласта. При этом при распространении упругих колебаний по пласту их амплитуды будут уменьшаться слабо, а в определенных условиях даже возрастать.

Таким образом, при сочетании признаков предлагаемого изобретения максимально полно реализуется процесс триггерного воздействия на пласты, что приводит к существенным долговременным улучшениям фильтрационных характеристик скважин, положительным изменениям полей напряжений и внутрипоровых давлений по пласту, вовлечению в фильтрационное течение флюидов из ранее застойных нефтенасыщенных размерных зон и локальных участков пласта, увеличению охвата пласта воздействием как по толщине, так и по глубине, повышению нефтеотдачи из залежи.

Предложенный твердотопливный заряд позволяет создавать при сжигании импульсы повышенного газоприхода продуктов горения в пласт с заданной частотой следования. Его признаки обеспечивают возможность торцевого послойного горения с пониженной скоростью и возможность скачкообразного увеличения площади и скорости горения при перемещении области торцевого горения в зону стыка отдельных сплошных твердотельных цилиндрических шашек, резкого скачкообразного увеличения газоприхода и давления. Частота следования импульсов регулируется изменением химического состава твердотопливного заряда и длины его шашек. Помещение пороховых шашек в полом корпусе твердотопливного заряда позволяет регулировать выход газов в скважину регулятором расхода и, помимо периодически следующих импульсов повышенного газоприхода, создавать в скважине упругие колебания, которые передаются в пласт.

На фиг. 1 представлен твердотопливный заряд для реализации способа в оптимальном варианте его исполнения.

Твердотопливный заряд состоит из полого корпуса 1, цилиндрических пороховых шашек 2 с бронированной боковой поверхностью 3, выступами 4 и углублениями 5, а также из воспламенителя 6, и размещенного в верхнем конце твердотопливного заряда регулятора расхода пороховых газов 7, выполненного в частном случае в виде сопла Лаваля. В сборе твердотопливного заряда используется чередование сплошных пороховых шашек и шашек с дополнительными осевыми углублениями-каналами 8, снабженными газовыпускными каналами 9. Корпус твердотопливного заряда снабжен сбросовым клапаном 10.

На фиг. 2. показан поперечный разрез дополнительной цилиндрической пороховой шашки, выполненной с открытой боковой поверхностью и со сплошным осевым профилированным каналом.

Способ термогазодинамического воздействия на пласт с использованием предлагаемого твердотопливного заряда осуществляется следующим образом. Для размещения твердотопливного заряда и спуска его в скважину может, например, применяться скважинное оборудование конструкции "НПП Ойл-Инжиниринг" (Патент РФ №2200832, кл. Е 21 В 43/25, 2003), включающее последовательно соединенные узел регулирования газоприхода в скважину 11 со щелями 12, резонатор 13 с кабельной головкой 14 (фиг. 3). Корпус 1 твердотопливного заряда соединяют с узлом 11 данного устройства с проводкой электрических проводов 15 от воспламенителя заряда 6 к кабельной головке 14 и на каротажном кабеле опускают в заполненную жидкостью скважину. Выходные щели 12 устанавливаются на уровне нижних отверстий интервала перфорации. С наземного пульта управления подают напряжение по электрическим проводам 15 к воспламенителю 6, который нагревается до температуры выше температуры воспламенения твердотопливного заряда и поджигает его сверху в корпусе 1. Образующийся газ высокого давления и температуры проходит через сопло Лаваля 7, узел 11, выходит через щели 12 в колонное пространство скважины и далее распространяется вверх от нижних перфорационных отверстий вдоль продуктивного интервала и внедряется в пласт. В процессе сгорания твердотопливного заряда осуществляется торцевое послойное горение пороховых шашек с пониженной скоростью. При подходе области горения к месту стыка шашек скачкообразно повышается площадь горения, его скорость и давление в корпусе 1. Одновременно повышается скорость истечения газа в критическом сечении сопла Лаваля 7, режим истечения переходит в сверхзвуковой с генерацией ударных колебаний давления. В данной фазе горения в скважину поступает импульс давления повышенного газоприхода, и в потоке газа генерируются упругие колебания, которые передаются в пласт. После прохода области горения места стыка шашек площадь горения и его скорость опять уменьшаются, давление в корпусе 1 падает, уменьшаются газоприход в скважину и происходит разгрузка среды пласта. При этом также пропадает сверхзвуковой режим истечения газов через сопло Лаваля 7 и генерация упругих колебаний. Рассмотренная резкая смена режима горения периодически повторяется при сжигании твердотопливного заряда в момент прохождения области торцевого горения через стыки пороховых шашек. Площадь импульсного стыкового сгорания можно регулировать выполнением дополнительных углублений-каналов 8 (фиг. 1) с торцевых поверхностей шашек. В результате этого можно регулировать амплитуду импульсов создаваемого в скважине давления повышенного газоприхода. Частота следования импульсов повышенного газоприхода зависит от скорости горения порохового состава шашек и от их длины. При варьировании данных параметров она может легко регулироваться. Частота генерируемых упругих колебаний регулируется изменением параметров сопла Лаваля 7, другими геометрическими параметрами оборудования.

В осложненных условиях пониженной проницаемости пласта способ можно осуществлять в нескольких стадиях доставки и сжигания твердотопливных зарядов, при этом, например, на второй стадии, после сжигания первой сборки пороховых шашек и подъема оборудования, можно доставлять на забой скважины в полом корпусе заряда сборку с использованием дополнительных пороховых шашек с открытой боковой поверхностью и со сплошным осевым профилированным каналом, размещенных в начале заряда после воспламенителя. Далее закачкой в скважину жидкости можно создавать на забое скважины оптимальное давление, по необходимости размещать на продуктивном интервале оторочку химического реагента, например кислоты, устанавливать пакер и/или герметизировать устье скважины клапанным устройством. При поджигании твердотопливного заряда в стадии горения дополнительных пороховых шашек в пласте создаются импульсы повышенного газоприхода продуктов горения, давление которых превышает давление разрыва пласта. Осуществление разрыва пласта после предварительной обработки на первой стадии при одновременном воздействии упругими колебаниями приводит к эффективному и необратимому развитию трещиноватости как по толщине, так и по глубине пласта.

Перед спуском устройства в скважину в ней осуществляют исследования амплитудно-частотных спектров акустической эмиссии, например, при помощи программно-аппаратного комплекса "НПП Ойл-Инжиниринг". По специальной компьютерной программе, имеющейся у авторов предлагаемого изобретения, производится анализ полученных спектров АЭ и определяется оптимальная частота следования импульсов избыточного давления повышенного газоприхода в скважину, которая задается при реализации способа.

Покажем возможность применения предлагаемого термогазодинамического способа для воздействия на пласт и твердотопливного заряда на практическом примере.

В эксплуатационной скважине поднимается подземное оборудование (при необходимости производится предварительное глушение) и производятся подготовительные работы (шаблонирование, очистка ствола скважины и забоя и др.). Производятся необходимые геофизические и гидродинамические исследования. При помощи программно-аппаратного комплекса "НПП Ойл-Инжиниринг" осуществляются записи амплитудно-частотных спектров естественной и наведенной сейсмоакустической эмиссии. Производится анализ полученных спектров АЭ и по компьютерной программе определяется оптимальная частота следования импульсов избыточного давления f_опт=0,02 Гц.

В остановленную эксплуатационную скважину, заполненную раствором хлорида кальция плотностью 1,16 г/см³, на каротажном кабеле опускают на глубину нижнего края интервала перфорации 1320 м собранное скважинное устройство конструкции ООО "НПП Ойл-Инжиниринг". В качестве твердотопливного заряда в корпусе 1 устройства используют многосекционную сборку из шашек состава РСТ-4К по ОСТ 1384-439-82. Этот заряд имеет следующие рабочие характеристики: диаметр (с броней) 71 мм, длина 9,7 м, масса 56,6 кг, теплота сгорания 860-890 ккал/см³, скорость горения 20 мм/сек при давлении 20 МПа и температуре 20°С, объем газовыделения 850 дм³кг, приведенный к температуре 20°С и давлению 0,1 МПа, температура горения 2400-2600К, чувствительность к трению 18 класс, к удару 0% взрыва, температура воспламенения 169-171°С. Ток запуска твердотопливного заряда составляет 2,0 А. Твердотопливный заряд собирают в насосно-компрессорной трубе 3" с внутренним диаметром 76 мм. В осложненных условиях при создании импульсов газоприхода повышенной мощности полый корпус твердотопливного заряда целесообразно изготавливать из толстостенных труб, например могут быть использованы корпуса перфораторов или бурильные трубы. В остальных случаях технологично использование стандартных насосно-компрессорных труб.

Перед спуском в скважину устройство с твердотопливным зарядом регулируют и настраивают по вышеприведенным данным.

После подготовки скважины к обработке подают напряжение на проволочную спираль, и заряд воспламеняется. В скважину поступают пороховые газы. При сжигании заряда создаются периодические импульсы повышенного газоприхода в пласт с частотой следования порядка 0,017 Гц и генерируются упругие колебания с двумя частотами 0,7 и 81,4 Гц. Процесс горения заряда продолжается 8 минут. На фиг. 4 представлена инструментальная запись импульсов давления газоприхода и колебаний давления на забое скважины в процессе сжигания заряда. В случае необходимости для увеличения времени горения до 20-30 минут увеличивают длину заряда, который собирают в двух или более насосно-компрессорных трубах. По окончании процесса горения и завершения обработки устройство на кабеле извлекают на поверхность. Скважину сдают для проведения завершающих работ: промывки забоя и исследований.

Осуществление заявленного технического решения позволяет осуществлять целенаправленное триггерное воздействие на ПЗП и пласт, повысить эффективность обработки в 2-5 раз, расширить область применения по геолого-физическим условиям и характеристикам пластов и скважин, способствовать решению проблемы утилизации запасов ракетного топлива.

Claims (24)

1. Способ термогазодинамического воздействия на пласт, включающий сжигание твердотопливных зарядов и создание в скважине последовательных импульсов избыточного давления газообразных продуктов их горения, отличающийся тем, что в процессе сжигания твердотопливных зарядов обеспечивают периодическое скачкообразное изменение площади и температуры их горения, при этом регулируют выход газов в скважину для создания одновременно и импульсов избыточного давления газообразных продуктов горения в пласт с частотой следования, соответствующей временным фрактальным процессам усталостного развития трещин в геологической среде пласта, и упругих колебаний давления с частотой 0,5-800 Гц, воздействующих на матрицу структуры пласта и насыщающие его флюиды и кольматанты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что до сжигания в скважине твердотопливных зарядов проводят исследования параметров акустической эмиссии обрабатываемой геологической среды пласта, по результатам которых задают частоту следования создаваемых импульсов повышенного газоприхода продуктов горения в пласт.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что частоту следования создаваемых импульсов повышенного газоприхода продуктов горения в пласт задают в диапазоне 0,01-10 Гц.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что упругие колебания давления создают одновременно с разными частотами регулярными и/или нерегулярными.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что упругие колебания давления создают с частотами, соответствующими максимальному развитию процессов динамической перестройки матрицы геологической среды пласта на микро- и макроуровне структурной иерархии.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что упругие колебания давления создают с частотами, которые определяют по результатам предварительно проведенных на кернах пласта лабораторных исследований фильтрационных явлений тепломассопереноса и исследований реологического поведения пластовых флюидов и кольматантов в поле упругих колебаний.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что до сжигания в скважине твердотопливных зарядов проводят исследования микросейсмического отклика пласта на вибросейсмическое воздействие, по результатам которых задают частоту упругих колебаний давления.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в процессе сжигания твердотопливных зарядов фазы скачкообразного изменения площади горения и температуры осуществляют с увеличением данных параметров, при этом процесс сжигания твердотопливных зарядов между фазами скачкообразного изменения площади горения и температуры преимущественно осуществляют с пониженной скоростью.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в начальной и/или конечной стадиях сжигания, по крайней мере, одну фазу скачкообразного изменения площади горения и температуры осуществляют с резко увеличенным по отношению к предшествовавшим фазам значением изменений вышеуказанных параметров.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что до сжигания твердотопливных зарядов трубное пространство скважины выше глубинного оборудования пакеруют и/или производят герметизацию устья скважины клапанным устройством.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что до сжигания твердотопливных зарядов трубное пространство скважины выше глубинного оборудования заполняют вязкой жидкостью, обладающей неньютоновскими свойствами, например водным раствором полиакриламида.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что в процессе сжигания твердотопливных зарядов трубное пространство скважины выше глубинного оборудования заполняют пеной и/или раствором химреагентов, например кислот, щелочей.

13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что в процессе сжигания твердотопливных зарядов в пласт задавливают тепловыделяющие составы, например, суспензии или порошки щелочных металлов, выделяющие тепло в результате химического взаимодействия с водой или растворами кислот.

14. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что твердотопливные заряды сжигают на забое скважины в нескольких последовательных стадиях их доставки.

15. Способ по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что до сжигания твердотопливных зарядов в скважине проводят дополнительную перфорацию продуктивного интервала пласта.

16. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт, состоящий из соединенных друг с другом цилиндрических пороховых шашек, размещенных в полом корпусе с воспламенителем, соединенным электрическими проводами с наземным пунктом управления, отличающийся тем, что составляющие его пороховые шашки выполнены с бронированной боковой поверхностью для обеспечения торцевого послойного горения порохового состава, при этом данные пороховые шашки изготовлены с открытыми торцевыми поверхностями с цилиндрическим выступом с одного торца и соответствующим углублением с противоположного торца и собраны в полом корпусе в единое целое по контактам указанных выше выступов-углублений, причем нижний конец полого корпуса заглушен, а верхний снабжен регулятором расхода пороховых газов.

17. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт по п.16, отличающийся тем, что составляющие его пороховые шашки по сечениям между углублениями и выступами выполнены сплошными, при этом с торцевой поверхности, по крайней мере, одной сплошной пороховой шашки по оси выполнено дополнительное углубление-канал.

18. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт по п.17, отличающийся тем, что от дополнительного углубления-канала по направлению к боковой поверхности пороховой шашки выполнены газовыпускные каналы.

19. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт по любому из пп.17 и 18, отличающийся тем, что дополнительное углубление-канал в пороховой шашке выполнено сквозным.

20. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт по любому из пп.16-19, отличающийся тем, что он собран с чередованием сплошных пороховых шашек и шашек, выполненных с дополнительными углублениями-каналами.

21. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт по любому из пп.16-20, отличающийся тем, что он снабжен, по крайней мере, одной дополнительной цилиндрической пороховой шашкой, выполненной с открытой боковой поверхностью и со сплошным осевым профилированным каналом.

22. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт по п.21, отличающийся тем, что его дополнительная цилиндрическая пороховая шашка выполнена с площадью боковой поверхности осевого профилированного канала, равной площади открытой боковой поверхности.

23. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт по любому из пп.16-22, отличающийся тем, что в качестве регулятора расхода использовано сопло Лаваля.

24. Твердотопливный заряд для термогазодинамического воздействия на пласт по любому из пп.16-23, отличающийся тем, что в его полом корпусе выполнен сбросовый клапан.

Images