способ воздействия на продуктивный пласт

Формула изобретения

1. Способ воздействия на продуктивный пласт, включающий выбор участка, установку на выбранном участке источника упругих колебаний с динамической нагрузкой, действующего со стороны дневной поверхности и возбуждающего упругие волны, проведение пробного воздействия на продуктивный пласт упругими волнами, измерение и анализ сейсмического фона до пробного воздействия, во время и после пробного воздействия, и последующее воздействие на продуктивный пласт упругими волнами, отличающийся тем, что используют источник упругих колебаний с динамической нагрузкой 100 - 500 кН, выбор участка осуществляют путем измерения микросейсмического фона на исследуемой площади сейсмоприемниками и в качестве участка для установки на нем источника упругих колебаний выбирают участок с повышенным уровнем микросейсмического фона, при этом максимальным считают уровень фона, отличающийся от уровня фона на других участках наибольшими значениями амплитуды регистрируемого сигнала, соответствующего какой-либо одной частоте, либо - с наибольшей интегральной по всем регистрируемым частотам характеристикой, измерение и анализ микросейсмического фона осуществляют до пробного воздействия, и/или во время этого воздействия, и/или после него для определения доминантных частот, под которыми понимают частоты, выделяющиеся из общего спектра частот максимальным уровнем регистрируемого сигнала, а воздействие на продуктивный пласт упругими волнами осуществляют на доминантных частотах.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают один или несколько участков, используют один или несколько источников упругих колебаний, при этом в случае выбора нескольких участков источники упругих колебаний устанавливают на этих участках и настраивают на доминантные частоты этих участков, а в случае выбора одного участка и использования нескольких источников упругих колебаний, последние настраивают на одну доминантную частоту этого участка.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют закачку в продуктивный пласт химически активных веществ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов. Изобретение также может быть использовано при добыче газа, газового конденсата и для интенсификации процессов дегазирования угольных пластов.

Влияние сейсмических волн, образующихся в земной коре при землетрясениях, на процессы нефтедобычи отмечается в научной литературе с начала 20 века, но идея целенаправленного воздействия на залежь упругими волнами была впервые сформулирована в 70-е годы в работах [1-2]. Реально воздействие на залежь сейсмическими волнами, возбуждаемыми с помощью мощного наземного виброисточника, впервые было осуществлено в 1986-1987 гг. на нефтяных месторождениях Краснодарского края и результаты этого промыслового эксперимента были описаны в работе [3]. В качестве виброисточника использовался электрогидравлический сейсморазведочный вибратор. В ходе эксперимента было установлено, что существуют отдельные доминантные частоты, воздействие на которых приводит к максимальному отклику продуктивного пласта.

В настоящее время применяются различные устройства и способы волнового воздействия на нефтяные пласты как со стороны дневной поверхности, так и с помощью источников упругих волн, спускаемых в скважины. Близкими из них к заявляемому способу являются способы, предусматривающие оптимизацию волнового воздействия за счет выбора каким-либо образом оптимальных параметров воздействия. Так, известен способ [4] вибросейсмического воздействия на нефтяную залежь, предусматривающий оптимизацию процесса воздействия путем перебора частот, определения количества и состава добываемого пластового флюида до и после воздействия, определения с помощью спускаемого до уровня продуктивного пласта сейсмоприемника доминантных частот микросейсмического фона пласта и последующего вибросейсмического воздействия на этой доминантной частоте.

Известен аналогичный способ [5], принятый нами за прототип, включающий выбор участка, установку на выбранном участке источника упругих колебаний с динамической нагрузкой, действующего со стороны дневной поверхности, и возбуждающего упругие волны, проведение пробного воздействия на продуктивный пласт упругими волнами, измерение и анализ сейсмического фона до пробного воздействия, во время и после пробного воздействия, и осуществление воздействия на продуктивный пласт упругими волнами.

Недостатками этих способов является отсутствие возможности определения оптимального для воздействия участка, на котором должны устанавливаться источники колебаний, а также то обстоятельство, что при последовательном переборе частот не исключено накопление эффектов воздействия на пласт, то есть в действительности реакция пласта на частоту, принимаемую за оптимальную, может быть суммарной реакцией на воздействие на всех предшествующих частотах.

Задача, решаемая настоящим изобретением, - повышение эффективности процесса нефтедобычи за счет оптимизации технологии воздействия на пласт. Технологический результат, который может быть получен при реализации способа - увеличение нефтеотдачи высокообводненных продуктивных пластов, например, за счет активизации в пласте фильтрационных процессов.

Поставленная задача решается исходя из следующих теоретических представлений о механизмах волнового воздействия на продуктивные пласты.

В работе [6] и др. показано, что амплитуда упругих волн, распространяющихся в горном массиве от реально применяемых источников упругих волн (как поверхностного, так и скважинного типа), убывает до ничтожно малых величин, порядка миллионных долей атмосферы и менее, при удалении от источника уже на первые сотни метров. Это значит, что прямое воздействие этих волн на участки глубокозалегающих пластов с размерами в 1-2 км не может быть причиной сколько-нибудь значимых изменений в фильтрационном движении. Отсюда следует, что реально наблюдаемая существенная реакция пласта при волновом воздействии, например, с поверхности земли, в действительности обусловлена развитием некоторых геомеханических процессов в горном массиве, инициируемых или активизируемых волновым воздействием и сопровождающихся выделением энергии, идущей на поддержание этих процессов в больших объемах горного массива. Как показано в [6] , такими геомеханическими процессами могут быть процессы разгрузки горной среды от избыточных напряжений, накапливающихся в ней при разработке месторождения, сопровождающейся изменением пластового давления и соответствующей перестройкой напряженно-деформированного состояния как продуктивного пласта, так и окружающего его горного массива в целом. При этом непосредственной причиной повышения нефтеотдачи высокообводненных продуктивных пластов является перераспределение напряжений в пласте и сопутствующее этому процессу изменение направлений локальных фильтрационных потоков, способствующее вовлечению в движение целиков нефти из малоподвижных или застойных участков пласта. Отметим, что причиной накопления избыточных напряжений в горной среде могут быть также тектонические и иные процессы.

Исходя из этих представлений можно заключить, что при волновом воздействии процессы, развивающиеся в продуктивном пласте на большой площади, являются вторичными или производными от основных процессов, которыми являются процессы разгрузки горного массива от накопленных избыточных напряжений. Как известно [3], деформационные процессы в сплошных средах сопровождаются генерированием упругих волн, интенсивность и характерные особенности которых могут определяться по спектральному анализу микросейсмического фона. Это значит, что области концентрации упругих напряжений в горном массиве, которые согласно вышеизложенным представлениям и должны являться непосредственным объектом волнового воздействия для активизации в них разгрузочных процессов, могут быть, в принципе, обнаружены путем измерения микросейсмического фона на поверхности земли. Можно полагать, что участки с повышенным уровнем микросейсмического фона, соответствующие областям концентрации упругих напряжений в горной среде с повышенной интенсивностью генерирования упругих волн, являются оптимальными для установки на них источников, возбуждающих упругие волны. Кроме того, определение доминантных частот при спектральном анализе микросейсм на этом участке одновременно определяет и те частоты, воздействие на которых наиболее эффективно для активизации деформационных процессов в обнаруженных зонах концентрации напряжений, поскольку именно доминантные частоты являются характерными или резонансными для процессов генерирования упругих волн в этих зонах. Если существует несколько доминантных частот и технически возможно воздействие только на одной из них, то возникает проблема выбора наиболее эффективного варианта, решаемая в практике следующим образом. Априори, предпочтительным будет выбор либо частоты, имеющей максимальную амплитудную характеристику, как наиболее значимой из всех имеющихся, либо выбор минимальной по величине частоты, поскольку длинноволновые возмущения распространяются по упругой среде с меньшей степенью затухания. Если же технически возможно одновременное воздействие на нескольких доминантных частотах, например, с помощью нескольких источников волн, то такое комплексное воздействие может значительно повысить эффективность процессов разгрузки напряжений в зонах их концентрации, поскольку в этих зонах будут активизироваться резонансные процессы различной природы.

Для повышения качества анализа микросейсмического фона дополнительно может быть предусмотрено пробное волновое воздействие на некоторой произвольной частоте. Сопоставительный анализ микросейсм до воздействия, и/или во время него, и/или после воздействия позволит более точно определить оптимальные доминантные частоты.

Отметим также, что при анализе спектра частот микросейсмического фона необходимо учитывать возможное присутствие в нем дополнительных или посторонних частот техногенного происхождения, например, привносимых близкорасположенными работающими двигателями, насосами и т.д.

Из изложенной выше концепции следует, что наиболее вероятными областями концентрации упругих напряжений в горном массиве являются области, характеризующиеся наличием неоднородностей различного типа как в пласте, так и в окружающих его породах - неоднородностей геологического строения горной среды типа сбросов, выклиниваний и др., резкого изменения параметров продуктивного пласта - его мощности, физико-механических свойств и т.д., а также неоднородностей технологического характера, например зон пониженного или повышенного пластового давления. Учет этих особенностей на основе предварительного анализа всей имеющейся геологической информации может уменьшить область поиска участков с повышенным микросейсмическим фоном в районе залежи, поскольку эти участки должны располагаться вблизи областей, характеризующихся указанными неоднородностями или какими-либо иными особенностями геологического строения, способствующими концентрации вблизи них упругих напряжений.

Исходя из вышесказанного заявляемый способ может быть сформулирован следующим образом.

Способ воздействия на продуктивный пласт, включающий выбор участка, установку на выбранном участке источника упругих колебаний с динамической нагрузкой, действующего со стороны дневной поверхности и возбуждающего упругие волны, проведение пробного воздействия на продуктивный пласт упругими волнами, измерение и анализ сейсмического фона до пробного воздействия, во время и после пробного воздействия, и осуществление воздействия на продуктивный пласт упругими волнами, при этом используют источник упругих колебаний с динамической нагрузкой 100-500 кН, выбор участка осуществляют путем измерения микросейсмического фона на исследуемой площади сейсмоприемниками и в качестве участка для установки на нем источника упругих колебаний выбирают участок с повышенным уровнем микросейсмического фона, при этом максимальным считают фон, отличающийся от фона на других участках наибольшими значениями амплитуды регистрируемого сигнала, соответствующего какой-либо одной частоте, либо - с наибольшей интегральной по всем регистрируемым частотам характеристикой, измерение и анализ сейсмического фона осуществляют до пробного воздействия, и/или во время этого воздействия, и/или после него для определения доминантных частот, под которыми понимают частоты, выделяющие из общего спектра частот максимальным уровнем регистрируемого сигнала, а воздействие на продуктивный пласт упругими волнами осуществляют на доминантных частотах.

Практически понятие участок, используемое при описании способа, определяется следующим образом. Сейсмометрические замеры, например, на некоторой площади земной поверхности, ограничены количеством используемых сейсмоприемников, размещаемых на этой исследуемой площади, и эту площадь можно условно разделить на ряд участков той или иной формы - по количеству равных числу используемых сейсмоприемников, а по суммарной площади - равных общей площади исследуемой территории. Под участком с повышенным уровнем микросейсмического фона понимается участок, соответствующий сейсмоприемнику с максимальным уровнем регистрируемого им микросейсмического фона. При необходимости выделенный на этой стадии исследований участок при дальнейших сейсмометрических исследованиях может последовательно делиться для более детального микросейсмического анализа на ряд участков меньшего размера с дальнейшим их сейсмометрическим анализом.

Понятие максимального уровня микросейсмического фона определяется следующими возможными вариантами. В первом случае максимальным считается фон, отличающийся от фона на других участках наибольшим значением амплитуды регистрируемого сигнала, соответствующего какой-либо одной частоте. В другом случае максимальным считается фон с наибольшей интегральной по всем регистрируемым частотам характеристикой. Воздействие производится на доминантной частоте (частотах), то есть частоте, выделяющейся из общего спектра частот максимальным (абсолютным или локальным) уровнем регистрируемого сигнала. Как правило, повышению уровня микросейсмического фона соответствует повышение амплитуды регистрируемых колебаний на всех частотах.

В случае использования нескольких источников упругих волн на одном участке все они также могут быть настроены на одну выбранную доминантную частоту.

В качестве варианта способа предлагается производить пробное волновое воздействие на некоторой произвольной частоте и выбор доминантных частот производить на основе сравнительного анализа микросейсм до воздействия, в процессе воздействия и после него.

Как показывает опыт практического использования наземных источников упругих волн, их мощность должна быть достаточно большой для достижения заметного эффекта воздействия на глубокозалегающие продуктивные пласты. В качестве нижней границы динамической нагрузки, развиваемой источником колебаний поверхностного типа, может быть принята величина в 100 кН.

Эффективность волнового воздействия увеличится, если воздействие со стороны дневной поверхности будет комбинироваться с воздействием на залежь с помощью скважинных источников упругих волн. При этом скважинные источники должны также быть настроены на доминантные частоты. Доминантные частоты для скважинных источников могут определяться также с помощью скважинных сейсмоприемников, спускаемых в скважину до предполагаемого уровня установки этих источников.

Дополнительно к волновому воздействию на залежь может проводиться воздействие на залежь с помощью физико-химических методов, то есть закачка в продуктивный пласт химически активных веществ. При этом повышается эффективность взаимодействия химически активных реагентов с породой за счет их лучшего перемешивания в поровом пространстве, то есть повышается эффективность технологии физико-химического воздействия на пласт. Вместе с тем повышается и эффективность волнового воздействия на пласт за счет дополнительного воздействия на фильтрационные характеристики пласта. Закачка химреагентов в пласт может предшествовать волновому воздействию или производиться одновременно с ним.

Области концентрации упругих напряжений в горном массиве могут быть сформированы дополнительно с помощью технологических методов, например путем увеличения объемов закачки воды в продуктивный пласт или увеличением отбора пластовых флюидов из добывающих скважин.

Продолжительность волнового воздействия определяется практическим путем и должна обеспечивать дополнительное поступление нефти (или добываемого углеводорода) в зоне воздействия. Практика применения различных средств и способов ударно-волнового воздействия с целью достижения площадных эффектов показывает, что рациональное время воздействия находится в диапазоне от нескольких недель до нескольких месяцев.

Пример использования заявляемого способа.

С помощью сейсмометрической аппаратуры на поверхности земли над высокообводненной залежью определяют участок с максимальным уровнем микросейсмического фона. Наиболее вероятным месторасположением этого участка являются области, характеризующиеся наличием геологических неоднородностей различного типа - сбросов, выклиниваний и т.д. Методами спектрального анализа определяют доминантную частоту микросейсмического фона, устанавливают источник упругих волн какого-либо типа на этом участке и производят волновое воздействие на доминантной частоте. В качестве источника волн могут использоваться серийные сейсморазведочные вибраторы или специально сконструированные для долговременного воздействия устройства поверхностного или скважинного типа, что значительно снизит себестоимость технологии.

Волновое воздействие может быть неоднократно повторено после определения новых участков с повышенным микросейсмическим фоном на соответствующих доминантных частотах. Результатом успешно реализованной технологии волнового воздействия на высокообводненный пласт будет снижение обводненности добываемой продукции на участке с примерными размерами по диаметру в 1-2 км или более в течение нескольких месяцев после воздействия.

Для усиления эффекта воздействия на участке может быть установлено несколько источников упругих волн, настроенных на одну доминантную частоту.

Для более качественного анализа микросейсм производится пробное воздействие на некоторой произвольной частоте и производится сравнительный анализ микросейсм с учетом этого воздействия.

При использовании источников упругих волн поверхностного типа следует выполнять условие, заключающееся в том, что динамическая нагрузка на породу, развиваемая каждым источником, была бы не менее 100 кН (10 тонн).

Пример использования способа в сочетании с другими технологическими методами воздействия на пласт.

В дополнение к действиям, необходимым для реализации предлагаемого способа и описанным выше, предварительно или одновременно с волновым воздействием производится обработка призабойных зон скважин химически активными реагентами.

Для усиления эффекта воздействия в продуктивном пласте предварительно создаются зоны концентрации напряжений путем повышения объемов закачки жидкости в нагнетательные скважины и/или увеличения отбора жидкости из добывающих скважин.

Наиболее эффективно предлагаемый способ может быть использован в нефтегазодобывающей промышленности для более полного извлечения углеводородов из продуктивных пластов, а также способ может быть применен при дегазировании угольных пластов для активизации процессов дегазирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сургучев М. Л., Кузнецов О.Л., Симкин Э.М. Гидродинамическое, акустическое и тепловое циклические воздействия на нефтяные пласты. - М.: Недра, 1975, 320 с.

2. Гадиев С.М. Использование вибраций в добыче нефти. - М.: Недра, 1977, 180 с.

3. Сейсмическое вибровоздействие на нефтяную залежь/ Сб.ст. под ред. Садовского М.А. и Николаева А.В. Ин-т физики Земли РАН. - М., 1993, 240 с.

4. Авторское св-во СССР 1596081, кл. Е 21 В 43/00, 1990.

5. Патент РФ 2070285, кл. Е 21 В, 1996.

6. Свалов А. М. О механизме волнового воздействия на продуктивный пласт//Нефтяное хозяйство, 1996, 7, с.26-27.