способ добычи нефти

Формула изобретения

1. Способ добычи нефти, использующий вибрационное воздействие на призабойную зону пласта с дневной поверхности и колонну обсадных труб в качестве волновода, отличающийся тем, что один или несколько вибровозбудителей устанавливают под колонной головкой непосредственно на обсадную трубу, возбуждение колебаний осуществляют путем воздействия на наружную поверхность надземной части обсадной колонны через акустически согласованную разгрузочную плиту, при этом выбирают частоту вибрационного воздействия таким образом, что в длину обсадной колонны укладывают целочисленное значение длин полуволн, а область перфорации обсадной колонны находится в пучности волн, первичную оценку частоты вибрационного воздействия производят из выражения

f=V/4L,

где f - частота возбуждающего воздействия, Гц;

V - скорость звука в обсадной колонне, м/с;

L - расстояние от нижнего среза обсадной колонны до середины интервала перфорации, м,

после чего осуществляют подстройку частоты вибрационного воздействия в процессе работы скважины на максимальное количество нефти в добываемой жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибровозбудители имеют регулируемые частоту, амплитуду и фазовый сдвиг колебаний для согласования системы: вибровозбудитель-волновод-призабойная зона.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрационное воздействие на обсадную колонну осуществляют путем использования кинетической энергии подвижного органа вибровозбудителей электромеханического, гидравлического или пневматического типа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области добычи нефти, а более точно к способу и устройству для увеличения добычи нефти и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.

Жидкие углеводороды, известные как сырая нефть, находятся в осадочном чехле земной коры обычно удерживаемые в пористых структурах кристаллического каркаса коллектора.

Продуктивные пласты залегают на глубинах от нескольких метров до нескольких тысяч метров. Месторождения нефти сильно различаются по величине запасов и сложности геологического строения. В поровом пространстве коллектора помимо нефти обычно присутствуют: связанная вода, свободная вода и углеводородные газы.

Так как флюиды, заполняющие поровое пространство коллектора, значительно различаются по удельным весам и обладают высокой подвижностью, они стратифицируются. Газ, обладая меньшим удельным весом, чем нефть, располагается в повышенных участках пласта, нередко образуя над нефтяной залежью свободные скопления, известные под названием "газовая шапка". Граница раздела между газом и нефтью называется газонефтяным контактом (ГНК). Вода, обладая большим удельным весом, чем нефть, образует подстилающую поверхность ("подошвенная вода"). Граница раздела между нефтью и водой называется водонефтяным контактом (ВНК). На этой особенности нефти, газа и воды разделяться по удельным весам, основана антиклинальная, или гравитационная теория, являющаяся одним из основных положений нефтяной геологии.

Нефть добывается посредством скважин, пробуренных в осадочном чехле. Скважина представляет собой сложную конструкцию, включающую обсадные трубы, защищающие ствол скважины. Пласт со стволом скважины соединяют посредством системы отверстий, выполненных в обсадной трубе (перфорацией).

При выборе интервалов перфорации учитывается положение ГНК и ВНК. Песчаный монолитный пласт, имеющий высокие коллекторские свойства и полностью насыщенный нефтью, рекомендуется перфорировать только на 30-60% толщины сверху с учетом того обстоятельства, что в настоящее время в отечественной нефтедобывающей промышленности наиболее распространенным вторичным методом добычи нефти является площадное заводнение, сопровождающееся подъемом ВНК. Обычно проект разработки нефтяного месторождения предусматривает значительный безводный период добычи и постепенное, медленное увеличение обводненности по мере выработки запасов.

Статистические данные нефтедобывающей промышленности страны свидетельствуют о том, что средняя обводненность продукции в настоящее время превышает 80%, существующие проекты разработки предусматривают эксплуатацию скважин с обводненностью продукции 95%, а практика свидетельствует об эксплуатации высокодебитных скважин с обводненностью продукции 98% [А.В.Макаров, А.В.Титова, С.В.Клышников. Пути снижения обводненности Лянторского месторождения. // Нефтяное хозяйство, 8/2002, стр.27-30].

Источниками поступления воды являются:

- пластовая вода;

- вода, закачиваемая для поддержания пластового давления;

- прорывы воды от нагнетательных скважин к добывающим по каналам через пропластки с более высокой проницаемостью;

- конусообразование в призабойной зоне, обусловленное излишне высокой депрессией;

- негерметичность цементного кольца на забое скважины.

Предлагаемый способ позволяет существенно снизить поступление воды в скважину, обусловленное только конусообразованием, однако во многих случаях именно эта причина повышенной обводненности является определяющей. Теория конусообразования в настоящее время достаточно хорошо изучена и описана в специальной литературе (А.П.Телков, Ю.И.Стеклянин. Образование конусов воды при добыче нефти и газа. - М.: Недра. 1965. 163 с.).

Существующие технологии ограничения водопритоков основаны на установке водоизолирующих экранов с использованием силикатных гелеобразующих составов в комплексе с вязкоупругими гелями и тампонажными составами. Установка водоизолирующих экранов, как правило, требует дополнительной перфорации. Успешность установки экранов составляет 70% при средней продолжительности эффекта 10 месяцев. Успешность селективной изоляции значительно ниже 25-40% при средней продолжительности 3 месяца. Применение новых изолирующих составов принципиально не может изменить эти показатели (Л.С.Бриллиант и др. Совершенствование технологии ограничения водопритока в скважинах Самотлорского месторождения. // Нефтяное хозяйство. 2000. № 9. стр.72-75).

Помимо прямых методов добычи нефти в основных нефтедобывающих странах (Россия, США, Канада, Венесуэла, Китай, Индонезия и др.) широкое применение находят различные методы увеличения нефтеотдачи пластов. В существующем классификаторе ремонтных работ [Рд 153-39.0-088-01. Классификатор ремонтных работ в скважинах. - М.: Минэнерго РФ, 2001. - 100 с.] отдельно выделим работы под шифром ПНП2 - Вибровоздействие на пласт и ПНП4 - Волновое воздействие на пласт. Исследовательские работы по вибрационному воздействию с целью увеличения добычи нефти впервые появились в 1950-х годах. Результаты лабораторных и экспериментальных промысловых испытаний ударно-вибрационных технологий указывают как на увеличение степени извлечения нефти, так и на снижение обводненности добываемой продукции. В дальнейшем методы вибровоздействий разделились на два самостоятельных направления:

А) Вибрационное воздействие на призабойную зону, осуществляемое с помощью вибраторов, использующих различные принципы действия, спускаемых в скважину в зону перфорации.

Метод характеризуется чрезвычайно широким частотным диапазоном (от инфранизких частот - при использовании механических и гидравлических возбудителей до ультразвуковых - при использовании возбудителей на пьезокерамике) и высокой плотностью аккустической энергии, достигающей 10 кВт/м ², хорошо зарекомендовал себя для устранения кольматационных корок, снижения гидродинамического сопротивления призабойной зоны пласта, обусловленного проникновением фильтратов буровых и цементных растворов на этапах заканчивания скважины и ввода ее в эксплуатацию и блокировки поровых каналов дисперсной фазой, выпадениями труднорастворимых осадков солей, окислов железа и др. [Пат. США 3378074, 4437518, Пат. СССР 1127642, 10395813]. Метод вошел в классику и описан во многих справочных руководствах (Справочное руководство по проектированию, разработке и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти. М.: Недра. 1983. - 445 с.). Снижение гидравлического сопротивления призабойной зоны приводит к увеличению дебита и снижению обводненности добываемой жидкости при конусообразовании вследствие уменьшения градиента давления на призабойной зоне.

Недостатками метода являются: необходимость подъема насосно-компрессорного оборудования для выполнения обработок и экспоненциально затухающий эффект, что требует периодических повторных обработок.

Б) Вибрационное воздействие на пласт. Принципиальное отличие от методов вибровоздействия с помощью погружных источников состоит в размещении мощных источников колебаний на земной поверхности или в скважинах на небольшой глубине. При этом вибровоздействием охватывается большое число скважин, находящихся в различных геолого-геофизических условиях и на различных стадиях разработки (Патенты США 4471838; 4437518; 5660231; Патенты РФ 1144448, Е 21 В 43/25; 1153612, Е 21 В 43/24; 2061845, Е 21 В 43/00; 2063508, Е 21 В 43/20; 20644572, Е 21 В 43/00).

Настройка вибратора осуществляется в очень узкой полосе частот, обусловленной "окном прозрачности" осадочных пород. Результаты опытно-промышленных испытаний этого метода оказались весьма противоречивыми и не всегда воспроизводимыми. В отдельных скважинах, охваченных воздействием, наблюдалось значительное снижение обводненности добываемой жидкости при сохранении неизменным дебита. Эффект наблюдался только во время работы вибровозбудителя и практически не имел последействия.

Крайне низкие значения удельной акустической мощности, подводимой к пласту вследствие затухания колебаний в земле, и отсутствие связи положительного эффекта от расстояния до излучателя затрудняют выбор правдоподобной модели физических процессов в пласте (Р.В.Вестермарк, Дж.Ф.Бретт, Д.Р.Мэлони. Интенсификация притока вибрационным воздействием на забой скважины для увеличения отбора нефти. // Нефтегазовые технологии. № 3. 2002, стр.64-71). Во многих экспериментах с мощными вибраторами, установленными на дневной поверхности, обнаружено влияние сеймического поля крайне низкой интенсивности (10 ^-7-10^-6 Вт/м²) на среднесуточную добычу жидкости (М.В.Курленя, С.В.Сердюков. Определение области вибросейсмического воздействия на месторождение нефти с дневной поверхности. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. РАН. Сибирское отделение. 1999. № 4. стр.3-11).

В работе (Б.Ф.Симонов и др. Вибросейсмическое воздействие на нефтяные пласты с земной поверхности // Нефтяное хозяйство. 2000. №5. стр.41-46) обобщены результаты работ по вибросейсмическому воздействию с земной поверхности с помощью мощных вибраторов, проводившихся в 1990-1998 гг. на 10 объектах Западной Сибири. Основные выводы, которые зафиксированы при этих широкомасштабных испытаниях метода, сводятся к следующему:

1. Устойчивое снижение обводненности некоторых скважин в зоне воздействия радиусом до 3 км при постоянстве объемов добываемой жидкости.

2. Повышение обводненности некоторых скважин в этой зоне.

В силу этого интегральный эффект по всей совокупности скважин, находящихся в зоне воздействия, во многих случаях оказывался незначительным, что привело к практическому сворачиванию внедрения метода в практику нефтедобычи.

Наиболее близким является устройство для ударно-волнового воздействия на углеводородосодержащий пласт, в котором колонну обсадных труб предлагается использовать как высокодобротный широкополосный волновод (Патент РФ 2067154, Е 21 В 28/00). В работе (И.М.Назмиева, С.В.Андрейцева и А.В.Горюнова. Низкочастотное ударно-волновое воздействие - эффективный метод повышения нефтеотдачи пластов // Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. 1997. № 12. стр.42-45) описан источник большой мощности, расположенный на поверхности земли в виде станка канатно-ударного бурения УГБ-ЗУК с бойком, осуществляющим ударно-силовые воздействия заданной частоты на оголовник, выполненный в виде цементной пробки в обсадной колонне. При этом воздействие осуществляется на продуктивный пласт, а скважина, выполняющая роль волновода, переходит из разряда добывающих в разряд технологических, что сопряжено с рядом отрицательных моментов.

Изобретение решает задачу увеличения нефтедобычи и снижения обводненности добываемой нефти.

Задача решается принципиально новым методом виброволнового воздействия на призабойную зону высокообводненной вследствие конусообразования нефтедобывающей скважины и устройством для его осуществления.

В основу метода положены: явление инверсии плотностей при гидроволновом воздействии и разрушения конусов обводненности (В.Н.Челомей. Парадоксы в механике, вызываемые вибрациями // Доклады Академии наук СССР. 1983. Том 270, № 1. стр.62-67) и экспериментально обнаруженное явление гигантских изменений обводненности при виброволновых воздействиях, осуществляемых с земной поверхности, а также следующие положения.

Задача решается способом добычи нефти, использующим вибрационное воздействие на призабойную зону пласта с дневной поверхности и колонну обсадных труб в качестве высокодобротного волновода, при этом один или несколько вибровозбудителей устанавливают под колонной головкой непосредственно на обсадную колонну, возбуждение колебаний осуществляют путем воздействия на наружную поверхность надземной части обсадной колонны через акустически согласованную разгрузочную плиту, при этом выбирают частоту вибрационного воздействия таким образом, что в длину обсадной колонны укладывают целочисленное значение длин полуволн, а область перфорации обсадной колонны находится в пучности волн, первичную оценку частоты вибрационного воздействия производят из выражения:

f=V/4L,

где

f - частота возбуждающего воздействия, Гц;

V - скорость звука в обсадной колонне, м/с;

L - расстояние от нижнего среза обсадной трубы до середины интервала перфорации, м,

после чего осуществляют подстройку частоты вибрационного воздействия в процессе работы скважины на максимальное количество нефти в добываемой жидкости.

Вибровозбудители имеют регулируемые частоту, амплитуду и фазовый сдвиг колебаний, что позволяет осуществлять оптимальное согласование системы: вибровозбудитель - волновод - призабойная зона.

Вибрационное воздействие на обсадную трубу осуществляют путем использования кинетической энергии возвратно-поступательного перемещения подвижного органа вибровозбудителя электромеханического, гидравлического или пневматического типа.

Частоту низкоэнергетического виброволнового воздействия выбирают индивидуально для каждой нефтедобывающей скважины по специально разработанному алгоритму. Выбор частоты должен удовлетворять двум условиям:

- в длину обсадной колонны должно укладываться целочисленное значение длин полуволн возбуждающего воздействия (резонансное условие);

- область перфорации должна находиться в пучности волны, образующейся по высоте скважины в обсадной трубе (четвертьволновое условие).

При выполнении этих условий оптимальная частота возбуждения f определяется из выражения: f=V/4L, где:

f - частота возбуждающего воздействия, Гц;

V - скорость звука в обсадной трубе, 4900-5000 м/с;

L - расстояние от нижнего среза обсадной трубы до середины интервала перфорации, м (Фиг.1).

На Фиг.1 представлена схема призабойной зоны скважины, где:

1 - обсадная колона; 2 - кровля продуктивного пласта; 3 - интервал перфорации; 4 - нефтенасыщенная толща; 5 - водонасыщенная часть коллектора; 6 - непродуктивная толща.

В мощных пластах или когда проперфорированы несколько пропластков целесообразно устанавливать два возбудителя, частоты которых f₁=V/4L₁ и f₂ =V/4L₂; где: L₁ и L₂ - расстояние от нижнего среза обсадной трубы до верхних и нижних перфорационных отверстий соответственно.

Вибровозбудители монтируют на дневной поверхности под колонной головкой непосредственно на обсадной трубе и они имеют две степени свободы: вращательное движение относительно оси обсадной трубы и поступательное движение вдоль надземной части обсадной трубы. Возбуждение колебаний осуществляется с внешней стороны обсадной трубы путем использования кинетической энергии возвратно-поступательного перемещения подвижного органа вибратора электромеханического, гидравлического или пневматического типа. Для предотвращения усталостных разрушений обсадной трубы боек подвижного органа наносит удары не по наружной образующей обсадной трубы, а по специальной плите-наковальне, имеющей акустический контакт с обсадной трубой. Таким образом ударно-волновое воздействие на призабойную зону осуществляется без остановки действующей скважины, подъема оборудования механизированной добычи.

Колонну обсадных труб используют в качестве высокодобротного волновода, передающего энергию колебаний, возбуждаемых на поверхности, в призабойную зону пласта через стенки обсадной трубы.

Предлагаемое устройство (Фиг.3) для увеличения добычи нефти за счет снижения обводненности добываемой жидкости состоит из вибровозбудителя ударного типа (9), генератора тактовой частоты (10), формирователя крутизны фронта и длительности импульса (11), усилителя мощности (12) и источника питания (13), а также вибродатчика (14) и анализатора спектра колебаний обсадной колоны (15) и отличается от известных тем, что возбуждение колебаний осуществляется путем воздействия бойка на наружную поверхность надземной части обсадной трубы через акустически согласованную разгрузочную плиту (Фиг.2).

При использовании в качестве вибровозбудителя ударного типа (9) соленоида устройство состоит из программируемого перестраиваемого генератора тактовой частоты возбуждения (10), с помощью которого осуществляется резонансная настройка формирователя крутизны переднего фронта импульсов тактовой частоты, позволяющего регулировать силу удара и формирователя длительности токового импульса, позволяющего минимизировать мощность, подводимую к соленоиду. Конструктивно формирователь крутизны фронта и длительности объединены в один блок (11). Усилитель мощности (12) предназначен для усиления сформированных управляющих импульсов до значения, обеспечивающего длительную непрерывную работу вибровозбудителя. Источник питания предназначен для преобразования переменного напряжения промышленной частоты в постоянное напряжение, необходимое для питания электронных блоков.

Монтаж вибровозбудителя на обсадной трубе осуществляют с помощью специального приспособления, представленного на Фиг.2. Устройство состоит из ярма, образованного двумя отрезками швеллера стандартного профиля, имеющими специальные V-образные вырезы в полках. К одной половине ярма (7) приварены четыре стягивающие шпильки. Ко второй половине ярма (8) приварена горизонтальная пластина с ребром жесткости, выполняющая роль установочной платформы для вибровозбудителя (9). Конструкция позволяет легко устанавливать вибровозбудитель на обсадные трубы различного диаметра (1). Бойковая часть вибровозбудителя взаимодействует с наковальней в виде полуярма (8), а не с наружной поверхностью обсадной трубы, чем обеспечивается защита обсадной трубы от усталостных разрушений.

Первичную оценку тактовой частоты f определяют из выражения: f=V/4L; где:

f - частота возбуждающего воздействия, Гц;

V - скорость звука в обсадной колоне, м/с);

L - расстояние от нижнего среза обсадной трубы до середины интервала перфорации, м (Фиг.1).

Так как скорость звука зависит от марки стали, из которой изготовлены обсадные трубы, и распределения температуры по обсадной колоне в процессе работы тактовая частота подстраивается для обеспечения максимального количества нефти в добываемой жидкости.

Подстройку осуществляют следующим образом. После единичного ударного воздействия на обсадную трубу с помощью вибродатчика (14) и анализатора спектра (15) регистрируют спектр свободных собственных колебаний обсадной колонны. Из спектра выбирают значение частоты, максимально приближенное к расчетному значению, и устанавливают на генераторе тактовой частоты (10).

Вибрационное воздействие от вибровозбудителя (9) по обсадной трубе (1) передается в зону перфорации продуктивной нефтенасыщеннной толщи и через кристаллический каркас коллектора передается флюидам. За счет вибрационного воздействия происходит инверсия плотностей флюидов и разрушение конуса обводненности.

Эффект снижения обводненности наблюдается только при работе вибровозбудителя, но может существовать некоторое время после его выключения.

Устройство для увеличения добычи нефти за счет снижения обводненности добываемой жидкости может состоять (Фиг.4) из дисбалансного вибровозбудителя (18), преобразователя частоты (16) и частотомера (17), а также вибродатчика (14) и анализатора спектра (15) колебаний обсадной колоны. В этом устройстве возбуждение колебаний осуществляется путем вибрационного воздействия несбалансированного ротора на наружную поверхность надземной части обсадной трубы через специальное установочное приспособление. Для возбуждения колебаний используется простой и надежный для длительной необслуживаемой эксплуатации асинхронный трехфазный двигатель переменного тока, а задание необходимой частоты вынуждающих колебаний осуществляется с помощью транзисторного преобразователя частоты.

Достоинства метода:

1. Достижение оптимальных результатов по снижению обводненности за счет индивидуальной настройки по частоте, амплитуде и фазовому сдвигу;

2. Абсолютная экологическая чистота;

3. Отсутствие необходимости остановки действующей скважины, подъема насосно-компрессорного оборудования;

4. Вибровозбудители легко могут быть демонтированы и вновь смонтированы на другой скважине;

5. Низкая стоимость аппаратурного комплекса и его обслуживания.