способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ повышения нефтеотдачи путем воздействия на призабойную зону пласта ультразвуковым излучением, заключающийся в одновременном вибрационном и тепловом воздействии, отличающийся тем, что ультразвуковое излучение направляют с наземной части скважины внутрь скважины по насосно-компрессорным трубам скважины, по штоку скважинного насоса и по погружному волноводу, размещенному в насосно-компрессорных трубах и/или в зазоре между насосно-компрессорными и обсадными трубами, воздействие осуществляют в процессе добычи нефти из скважины без ее остановки, а удельную мощность ультразвука, подаваемого в волноводы, выбирают в пределах от 0,1 до 10 кВт/см² .

2. Устройство для повышения нефтеотдачи, состоящее из генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и электромеханических преобразователей, отличающееся тем, что электромеханические преобразователи выполнены в виде или трубчатых, или сплошных, или многослойных, или наборных ультразвуковых преобразователей, имеющих возможность соединения с насосно-компрессорными трубами скважины, со штоком скважинного насоса и с погружным волноводом, размещенным в насосно-компрессорных трубах и/или в зазоре между насосно-компрессорными и обсадными трубами, при этом преобразователи установлены последовательно друг за другом и/или параллельно вокруг них.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, может быть использовано для повышения нефтеотдачи, дебита малопродуктивных скважин и для реабилитации скважин, считающихся неперспективными, а также для разработки нефтяных залежей с высоковязкой нефтью.

Известны способы акустической обработки, основанные на возбуждении акустических колебаний в продуктивной зоне пласта скважинными излучателями, эффективность действия которых достигается размещением излучателя вблизи зоны обработки [1, 3, 4].

Способы электрогидравлического, ударного, взрывного и гидродинамического воздействия инициируют, главным образом, низкочастотные акустические колебания [5], которые могут воздействовать на продуктивный пласт, обеспечивая повышение пластового давления и вовлечение в работу застойных зон пласта. Наибольшая эффективность акустического воздействия достигается, если частоты воздействия близки к доминантным частотам, определяемым геофизическими характеристиками пласта и лежащими в низкочастотной области [6].

Перечисленные выше способы акустического воздействия осуществляются с помощью взрывных, гидродинамических и иных излучателей импульсного типа.

Известно, что ультразвук способствует снижению вязкости нефти в пласте от 10 до 80%, что также способствует увеличению миграции флюидов в порах и трещинах пласта [7].

Недостатком этих способов является необходимость остановки процесса добычи, выполнения дополнительных спускоподъемных операций, относительно малая длительность воздействия и незначительное повышение эффективности воздействия на пласт и его нефтеотдачи.

Наиболее близким принятым за прототип является способ добычи нефти по патенту РФ № 2004120682, использующий вибрационное воздействие на призабойную зону пласта с дневной поверхности и колону обсадных труб в качестве высокодобротного волновода, отличающийся тем, что один или несколько вибровозбудителей устанавливают под колонной головкой непосредственно на обсадную трубу, возбуждение колебаний осуществляют путем воздействия на наружную поверхность наземной части обсадной трубы через акустически согласованную разгрузочную плиту. Вибрационное воздействие на обсадную трубу осуществляют путем использования кинетической энергии возвратно-поступательного перемещения подвижного органа вибровозбудителя электромеханического, гидравлического или пневматического типа. В этом же патенте описано устройство для добычи нефти, состоящее из генератора колебаний обсадной колоны, отличающееся тем, что возбуждение колебаний осуществляют путем воздействия на наружную поверхность наземной части обсадной трубы.

Основным недостатком прототипа является то, что для повышения нефтеотдачи используется только вибровозбуждение, а тепловое воздействие на пласт при таком решении отсутствует. Это значительно снижает эффективность способа и устройства.

Известны устройства, в которых ультразвук используется для нагрева. Например, известны разнообразные устройства для сварки ультразвуком [8, патенты РФ № 2240917, № 2003111765, № 2003102901, № 2229382, № 2227087] и нагрева жидкостей ультразвуком по патенту РФ № 97106275. Сущность этих способов заключается в подаче ультразвука через волновод в торцевую зону, прижатую с определенным давлением к свариваемым деталям или нагреваемому материалу. В зоне контакта торца волновода с материалом происходит преобразование энергии ультразвуковых колебаний в тепловую энергию, что вызывает быстрый нагрев материала. Однако эти способы ранее не использовались для нагрева нефтяных пластов в нефтегазодобыче.

Техническим результатом предлагаемых изобретений являются возможность осуществлять непрерывное и повседневное воздействие на пласт в процессе добычи нефти из скважины без ее остановки, а также высокая эффективность комбинированного теплового и ультразвукового воздействия в зоне перфорации для интенсификации нефтеотдачи скважины и повышения проницаемости призабойной зоны.

Такое воздействие способствует:

- снижению вязкости нефтей и поверхностного натяжения на границах раздела фаз нефти с водой или нефти с породой;

- повышению скорости фильтрации жидкой фазы относительно пористого коллектора нефтяного пласта, снижению перепада давления, необходимого для фильтрации жидкостей внутри пористого коллектора нефтяного пласта;

- снижению гидравлического сопротивления движению жидкости или газа по пласту;

- диспергированию крупных битумизированных частиц в пласте, закупоривающих поры нефтяного пласта и вымыванию их из призабойной зоны скважины;

- постепенному диспергированию пород пористого нефтяного коллектора, повышая его пропускную способность;

- отмыванию от парафина, сернистых и других осадков внутренней поверхности скважины и трубопроводов и препятствует их отложению.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения эффективности воздействия на пласт и повышения его нефтеотдачи за счет увеличения повышения проницаемости пласта и притока нефти при виброаккустическом и термическом воздействии, уменьшения скорости образования парафиновых и асфальтеновых отложений в скважине и насосе.

Предложен способ повышения нефтеотдачи скважин и устройство для его осуществления.

Основные отличия заявляемых изобретений.

Способ повышения нефтеотдачи скважин заключается в одновременном вибрационном и тепловом воздействии на призабойную зону пласта, при котором генерируют мощное ультразвуковое излучение, а затем направляют его в скважину как по волноводу.

Основные отличия способа заключаются в следующем.

1. Излучение направляется с наземной части скважины внутрь скважины:

1.1. И/или по насосно-компрессорным трубам скважины.

1.2. И/или по штоку скважинного насоса.

1.3. И/или по погружному волноводу:

1.3.1. По погружному волноводу, размещенному в насосно-компрессорных трубах.

1.3.2. По погружному волноводу, размещенному в зазоре между насосно-компрессорными и обсадными трубами.

1.4. Воздействие осуществляют в процессе добычи нефти из скважины без ее остановки.

В принципе отличие 1.4. известно из других изобретений, но в данном способе оно дается во взаимосвязи с отличиями 1.1-1.3, что приводит к новому эффекту, повышению нефтеотдачи.

2. Дополнительное повышение величины интенсивности нагрева и излучения ультразвука в любом месте скважины осуществляют путем использования концентраторов различной формы, в том числе и в виде кольцевых выступов или вырезов, расположенных на поверхностях:

- и/или насосно-компрессорных труб,

- и/или погружного волновода,

- и/или штока скважинного насоса.

В принципе использование концентраторов для съема мощности ультразвука известно, однако применение концентраторов на поверхностях насосно-компрессорных труб, погружного волновода или штока скважинного насоса является новым отличием.

3. Одновременное вибрационное и тепловое воздействие на призабойную зону пласта осуществляют в процессе эксплуатации скважины постоянно.

4. Одновременное вибрационное и тепловое воздействие на призабойную зону пласта осуществляют в процессе эксплуатации скважины периодически либо с периодически изменяющейся частотой ультразвука.

Предложено устройство для осуществления способа повышения нефтеотдачи по п.1, состоящее из генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты, запитывающего электромеханический преобразователь.

Основные отличия устройства заключаются в следующем.

1. Электромеханический преобразователь конструктивно выполнен как часть:

- и/или насосно-компрессорных труб,

- и/или погружного волновода,

- и/или штока скважинного насоса.

2. Электромеханический преобразователь выполнен в виде:

- или трубчатого,

- или сплошного,

- или многослойного,

- или наборного магнитострикционного сердечника, окруженного электрической обмоткой.

3. Электромеханический преобразователь конструктивно выполнен как часть:

- и/или насосно-компрессорных труб,

- и/или погружного волновода,

- и/или штока скважинного насоса,

или соединен с ними с помощью согласующих устройств в виде концентраторов и/или волноводов.

4. Несколько преобразователей могут быть соединены

- и/или с насосно-компрессорных трубами,

- и/или с погружным волноводом,

- и/или со штоком скважинного насоса.

4.1. Несколько преобразователей могут быть соединены:

последовательно (цугом, друг за другом),

или/и параллельно,

или вокруг них,

а также путем комбинирования последовательного и параллельного способов расположения.

5. Электромеханический преобразователь установлен на наземной части:

- и/или насосно-компрессорных труб,

- и/или погружного волновода,

- и/или штока скважинного насоса.

6. В верхней части преобразователя имеется инертор, представляющий собой массивное тело.

Инертор предназначен для создания условий эффективной передачи энергии ультразвука через возбуждаемый элемент.

7.1. Погружной волновод выполнен в виде:

- сплошного;

- или трубчатого;

- или коаксиального волновода.

7.2. Погружной волновод сделан:

- цилиндрической;

- квадратной;

- или иной многоугольной формы в сечении.

7.2. Погружной волновод сделан:

- с открытой поверхностью;

- или полностью;

- или частично покрытый звукоизолирующим материалом,

и соединен с электромеханическим преобразователем.

Предлагаемые изобретения поясняются чертежом, на котором показан вариант устройства с одним преобразователем, соединенным с насосно-компрессорными трубами.

На чертеже изображена установка для повышения нефтеотдачи скважин, где показаны следующие элементы:

1 - пласт пористого нефтяного коллектора, нефтесодержащая порода;

2 - призабойная зона;

3 - мощное ультразвуковое излучение;

4 - надземная часть скважины (устье), надземная часть обсадной трубы;

5 - обсадные трубы - стальной трубчатый волновод;

6 - скважина;

7 - приемная часть скважины (исток);

8 - перфорация обсадной трубы;

9 - торцевая часть скважины;

10 - волновод преобразователя;

11 - концентраторы в виде кольцевых выступов или вырезов;

12 - генератор электрических колебаний или генератор ультразвуковой частоты, работающий в диапазоне 0,5·10 ⁴-1·10⁵ Гц;

13 - электромеханический преобразователь;

14 - магнитострикционный сердечник;

15 - внешняя электрическая обмотка;

16 - набор концентрически вставленных друг в друга тонкостенных труб или многослойная труба, образованная намоткой сплошного тонкого листа на трубу меньшего диаметра;

17 - сплошная тонкостенная труба;

18 - инертор;

19 - изолятор ультразвука;

20 - осевое отверстие для прохода нефтесодержащей жидкости из скважины;

21 - фланец обсадной трубы скважины;

22 - сальник штока глубинного насоса-качалки;

23 - шток глубинного насоса-качалки;

24 - труба для отвода нефтесодержащей жидкости из скважины;

25 - насосно-компрессорные трубы или трубы лифтовой (насосно-компрессорной) колонны;

26 - нефтесодержащая жидкость;

27 - зона нагрева и излучения ультразвука.

Сущность способа заключается в следующем. В нефтедобыче ультразвук относительно малой удельной мощности используется для повышения нефтеотдачи скважин. Часто сочетают использование ультразвука с нагревом, причем генерирование ультразвука и тепла осуществляется разными устройствами, как правило, спускаемыми в скважину.

Известно, что ультразвук можно эффективно преобразовать в тепло. Более того, как любое излучение, ультразвук практически без потерь распространяется в металлических волноводах. Скорость его распространения в стали составляет около 5000 м/с. В сверхдлинных волноводах длиной 2-3 тыс. метров (примерная длина скважин) за счет незначительной диссипации ультразвука в металле возникает эффект естественного преобразовании энергии ультразвука в тепло. Тепловыделение составляет до 5% мощности в теле волновода и до 10-15% мощности в зоне резьбовых соединений, а также в зоне наличия концентраторов. Роль концентраторов могут выполнять любые утолщения или отверстия, имеющиеся в волноводе. Поэтому можно использовать элементы скважины как длинный волновод, чтобы эффективно подавать по ней как по волноводу ультразвуковую энергию с дневной поверхности к заборному участку скважины.

Такими элементами могут быть или насосно-компрессорные трубы, или шток скважинного насоса.

В случае, когда используется винтовой насос, для передачи ультразвуковой энергии в скважину может использоваться специальный погружной волновод, который может представлять собой цилиндр или трубу из стали или любого другого материала, хорошо проводящего ультразвук, и на поверхности которого выполнены концентраторы для съема ультразвуковой энергии. Волновод может быть покрыт звукоизолирующим материалом в тех местах, где выход ультразвука нежелателен или даже недопустим.

Величина подаваемой ультразвуковой энергии должна быть достаточной, чтобы обеспечить нагрев самой скважины, призабойной зоны и потока извлекаемой нефти. Оставшаяся часть энергии ультразвука должна излучаться в пористый коллектор нефтяного пласта и обеспечивать эффективное воздействие на него. Эта величина зависит от длины волновода и его сечения. Величина удельного потока энергии должна быть не менее 0.1 квт/см². Эффективное значение плотности энергии, передаваемой в скважину, составляет от 1.0 квт/см ² до 5 квт/см². Более высокие значения плотности энергии пока труднодостижимы, но будут, по-видимому, очень целесообразны при добыче высоковязких нефтей из реабилитируемых скважин в будущем.

Примерная мощность ультразвуковых преобразователей для скважин с различными диаметрами может составлять от 10 до 100 киловатт и более.

Повысить интенсивность воздействия можно в любой зоне скважины. Для этого достаточно создать на поверхности насосно-компрессорных труб, погружного волновода или штока скважинного насоса концентраторы в виде кольцевых выступов, а также выступов или вырезов иной формы.

Ультразвук воздействует на нефть и породу пористого нефтяного коллектора и способствует:

- снижению вязкости нефтей и поверхностного натяжения на границах раздела фаз нефти с водой или нефти с породой;

- повышению скорости фильтрации жидкой фазы относительно пористого коллектора нефтяного пласта;

- снижению перепада давления, необходимого для фильтрации жидкостей внутри пористого коллектора нефтяного пласта;

- снижению гидравлического сопротивления движению жидкости или газа по пласту;

- диспергированию крупных битумизированных частиц в пласте, закупоривающих поры нефтяного пласта, и вымыванию их из призабойной зоны скважины;

- постепенному диспергированию породы пористого нефтяного коллектора, повышая его пропускную способность;

- отмыванию от парафина, сернистых и других осадков внутренней поверхности скважины и трубопроводов и препятствует их отложению.

Заявленный способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления работают следующим образом. С помощью генератора электрических колебаний 12 возбуждают электромеханический преобразователь 13, который генерирует мощное ультразвуковое излучение 3. Это излучение с наземной части скважины 4 с помощью волновода-преобразователя 10 направляют по насосно-компрессорным трубам 5 скважины 6 (и/или по погружному волноводу и/или по штоку скважинного насоса, не показаны) как по волноводу к приемной части скважины 7, где оно рассеивается концентраторами 11, частично превращаясь в тепло, а частично излучаясь в призабойную зону 2 скважины 6 в зонах нагрева и излучения ультразвука 27.

Основной частью электромеханического преобразователя 13 является магнитострикционный сердечник преобразователя 14, вокруг которого расположена внешняя электрическая обмотка 15.

Магнитострикционный сердечник 14 электромеханического преобразователя 13 выполнен как набор концентрически вставленных друг в друга тонкостенных труб 16 или как многослойная труба, образованная намоткой сплошного тонкого листа на сплошную тонкостенную трубу 17 меньшего диаметра. В качестве материалов для изготовления магнитострикционного сердечника 14 используется пермендюр, никель или иной магнитострикционный материал. Торцы магнитострикционного сердечника припаяны или приварены своей торцевой частью к фланцам преобразователя 19 и/или к волноводу, причем нижний фланец 19 преобразователя 13 выполнен за одно целое или соединен с волноводом конической, ступенчатой или экспоненциальной внешней формы с осевым отверстием 20 для прохода нефтесодержащей жидкости 26 из скважины и, в свою очередь, соединен с насосно-компрессорными трубами 25 скважины.

В верхней части преобразователя имеется инертор 18, представляющий собой массивное тело. Инертор предназначен для создания условий эффективной передачи энергии ультразвука через возбуждаемый элемент.

В процессе работы обмотка 15 преобразователя 14 сильно нагревается. Его охлаждение осуществляется потоком нефтесодержащей жидкости 26, которая проходит через осевое отверстие 20 в трубчатом магнитострикционном сердечнике 14. Это позволяет дополнительно обогревать нефтесодержащую жидкость 26.

Для повышения мощности несколько преобразователей 14 могут быть соединены с возбуждаемыми элементами последовательно (цугом, друг за другом) или/и параллельно, располагаясь вокруг них, а также путем комбинирования последовательного и параллельного способов расположения.

На чертеже также показаны сальник штока глубинного насоса-качалки 22, шток глубинного насоса-качалки 23, а также труба для отвода нефтесодержащей жидкости из скважины 24 и трубы лифтовой (насосно-компрессорной) колонны 25, по которым подогретая нефтесодержащая жидкость 26 поступает на поверхность.

Для изоляции обсадных труб от действия ультразвука используют изолятор ультразвука 19, выполненный из звукоизолирующего материала и размещенный на фланце обсадной трубы 21.

Удельная мощность ультразвука, подаваемого в скважину, выбирается в пределах от 0.1 до 10 киловатт на квадратный сантиметр площади сечения волновода в виде возбуждаемых элементов скважины - насосно-компрессорных труб, погружного волновода или штока скважинного насоса, а частота колебаний преобразователя может находиться в диапазоне 0,5·10 ⁴-10⁵ Гц, хотя допустимы и другие характеристики ультразвука.

Дополнительное повышение интенсивности нагрева и излучения ультразвука в пласт в любой части скважины может быть осуществлено путем использования концентраторов 11 различной формы, в том числе и в виде кольцевых выступов или вырезов 11, расположенных на внешней поверхности возбуждаемых элементов скважины - насосно-компрессорных труб 25, погружного волновода или штока скважинного насоса 23.

В соответствии с заявляемым способом комбинированное термоультразвуковое воздействие осуществляется в процессе добычи нефти из скважины без ее остановки. Как правило, воздействие осуществляют в процессе эксплуатации скважины постоянно. Однако при необходимости воздействие может осуществляться периодически.

В таблице 1 приводится оценка удельных затрат электрической энергии на добычу одного кубометра нефти. Как видно, даже при постоянном воздействии на скважину энергозатраты невелики и не превышают 1-3% стоимости нефти.

Оценка удельных затрат энергии на добычу 1 м³ нефти

Таблица 1
Параметр	Единица изм.	Вар.1	Вар.2	Вар.3
Дебит скважины суточный	м3	50	50	50
Температура подогрева	град	30	40	50
Мощность генератора	КВТ	73	97	121
Суточный расход энергии	квт·час	1743	2323	2904
Удельные энергозатраты на 1 кубометр нефти	квт·час/м3	35	46	58
Цена 1 квт. часа электроэнергии	руб/кВт	1,3	1,3	1,3
Стоимость электроэнергии на 1 кубометр нефти	руб/м3	45	60	76

Предлагаемые изобретения позволяют решить задачу осуществления экономичного и высокоэффективного комбинированного термоультразвукового воздействия на породу пористого нефтяного коллектора. Это воздействие можно осуществлять непрерывно и повседневно без остановки добычи и без демонтажа скважины.

Решаются задачи эффективного воздействия на нефть, повышения нефтеотдачи, снижения вязкости нефти, уменьшения скорости образования парафиновых и асфальтеновых отложений в скважине и трубопроводах. Воздействие на нефтеносный пласт осуществляется длительно и непрерывно без остановки добычи и без демонтажа скважины.

Имеется неоспоримое преимущество перед гидроразрывом, заключающееся в том, что если гидроразрыв надо регулярно повторять, то предлагаемое устройство воздействует на нефтяной пласт в течение всего времени эксплуатации длительно и непрерывно, постоянно улучшая параметры скважины за счет диспергирования и вымывания крупных битумизированных частиц, закупоривающих поры пласта, а также за счет постепенного и постоянного диспергирования самой породы пласта, повышая его пропускную способность.

Использованная литература

1. Печков А.А., Шубин А.В. Результаты работ по повышению продуктивности скважин методом акустического воздействия. Геоинформатика, 1998, № 3, с.16-23.

2. Кудинов В.И., Сучков Б.М. Методы повышения производительности скважин. Самара: Самарское книжное издательство, 1996, 414 с.

3. Кузнецов О.Л., Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. - М: Недра, 1983, 193 с.

4. Горбачев Ю.И. Физико-химические основы ультразвуковой очистки нефтяных скважин. - Геоинформатика, 1998, № 3, с.7-12.

5. Свалов A.M. О механизме волнового воздействия на продуктивные пласты. - Нефтяное хозяйство, 1996, № 7, с.27-29

6. Патент России № 20466936.

7.Патент России № 2059801.

8. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. Ультразвуковая размерная обработка материалов.