Ударно-волновая технология интенсификации добычи нефти и газа

А.В. Кучернюк, В.А. Кучернюк, С.М. Давиденко, В.М. Сова, М.Ю. Максимчук
 
( ОАО “Украинский нефтегазовый институт”)

УДК 622.276.6(477)
 
Основные нефтяные месторождения Украины находятся на поздней стадии разработки, характеризующейся снижением пластового давления и резким ростом обводненности до 90 % и более. Поддержание пластового давления путем закачки воды приводит к формированию фильтрационных потоков по высокопроницаемым пропласткам и путям, образованным ранее отобранной продукцией скважин, что приводит к снижению эффективности нефтеизвлечения из-за роста обводненности продукции скважин и образования застойных зон, которые не охвачены процессом вытеснения.
Неоднородность коллекторских свойств, как по разрезу, так и по простиранию, приводит к неравномерному нефтеизвлечению и снижению коэффициента нефтеизвлечения по пласту в целом.
В процессе длительной эксплуатации скважины происходит кольматация околоскважинного пространства продуктивного пласта, снижающая продуктивность скважины и работающую мощность интервала перфорации, что требует периодической очистки прискважинной зоны пласта (ПЗП).

В обобщенном виде, исходя из целей решаемой нами задачи, кольматацию можно представить как результат:
  • проникновения фильтратов глинистого и цементного растворов в пласт в процессе бурения и проведения тампонажных работ;
  • образование плотных трубок в результате спекания горной породы при перфорации продуктивного интервала;
  • образование пробок в перфорационных отверстиях за счет выноса частиц породы из пласта, выпадения продуктов реакции в результате широко применяемых обработок ПЗП химическими реагентами и выпадения АСПО;
  • кольматация капиллярной системы продуктивного пласта вследствие закупорки поровых каналов коллоидно-дисперсной системой, образующей пространственную сетку.
Перечисленные факторы снижают добычу нефти и приемистость нагнетательных скважин.
Известно, что на продуктивность пласта существенное влияние оказывают геодинамические факторы, определяющие упругость пласта, насыщающую его жидкость, накопление естественной энергии в пласте, которая затрачивается на вытеснение жидкости и определяет нефтеизвлечение [1].
С целью решения вышеперечисленных задач, нами разработана технология и технические средства ударно-волнового воздействия на прискважинную зону продуктивного пласта в интервале перфорации, позволяющие в локальных объемах создавать воздействие на пласт, которое имитирует геодинамическое воздействие.

Ударно-волновое воздействие на пласт предусматривает два вида эффектов:
  • непосредственное воздействие на ближнюю прискважинную зону пласта с радиусом охвата до 50 см от источника упругих волн ультразвукового диапазона частот;
  • удаленное воздействие, которое регистрируется гидрофонами на удалении 1 – 1,5 км от источника, генерирующего низкочастотные 0,2 Гц упругие волны.
  • Основная цель технологии – ввести в разработку низкопроницаемые изолированные зоны продуктивного пласта, слабо реагирующие на воздействие системы ППД, путем воздействия на них упругими волнами, затухающими в высокопроницаемых участках пласта, но распространяющимися на значительное расстояние и с достаточной интенсивностью, чтобы возбуждать низкопроницаемые участки пласта.
Из опыта проведения обработок ПЗП нефтяных скважин замечено, что не насыщенный жидкостью низкопроницаемый коллектор поглощает упругие волны, что приводит к сокращению зоны охвата значительно сильнее, чем для коллектора с заполненным жидкостью поровым объемом. В последнем случае, под воздействием упругих колебаний растет давление в порах, что приводит к разрушению мембран между порами и образованию дополнительных капилляров, а разница в скорости распространения упругих высокочастотных волн по скелетной породе и поровой жидкости приводит к разрушению пространственной сетки, образованной коллоидно-дисперсной системой.
Учитывая, что воздействие упругими волнами выполняет отрыв частиц КДС от стенок капилляра за счет колебаний возле центра равновесия, но не перемещает в пространстве – необходимо более мощное знакопеременное ударное воздействие, обладающее энергией достаточной для выноса кольматанта с пласта в скважину – эффект «стирки» [2].

Таким образом, с целью снижения фильтрационных сопротивлений, восстановления гидродинамической связи системы «пласт-скважина», расширения сети микротрещин разработаны технические средства, позволяющие создавать локальное геодинамическое воздействие на прискважинные участки пласта.

В качестве источника ударной и низкочастотной волновой нагрузки в нашей технологии используется разработанное институтом импульсных процессов и технологий НАН Украины скважинное электроразрядное устройство (рис.1).

Принцип его работы заключается в том, что для получения циклических импульсных ударов используют высоковольтный импульсный разряд в скважинной жидкости. При электроразрядном воздействии возникает совокупность сложных, взаимосвязанных процессов, приводящих к тому, что волны сжатия, циклически нагружая пористую среду, многократно отражаясь, трансформируются в волны напряжения-растяжения, создавая условия для развития сети трещин и микротрещин, как в стенках перфорационных каналов, так и в прилегающей к ним породе пласта.
Под действием импульса давления, который генерируется высоковольтным электроразрядом, скважинная жидкость проникает в перфорационные отверстия, а затем в породу со скоростью приблизительно 150 м/с.
Амплитуда давления превышает пластовое давление от 12 МПа до 25 МПа, в зависимости от типа коллектора и диэлектрических свойств жидкости глушения скважины [3, 4].

Устройство состоит из наземного генератора и скважинного высоковольтного накопительно-разрядного устройства, соединенных между собой трехжильным кабелем каротажного геофизического подъемника. С помощью последнего скважинное электроразрядное устройство перемещается между кровлей и подошвой обрабатываемого интервала с минимальной скоростью, генерируя высоковольтные разряды с частотой – 0,2 Гц и амплитудой давления до 45 МПа.

Применительно к характеристикам коллекторов месторождений Украины, для получения положительного результата обработок ПЗП, необходимо произвести 200 ¸ 250 разрядов на один метр обрабатываемого интервала пласта для терригенных коллекторов и 400 ¸ 500 разрядов на один метр – для карбонатных коллекторов.

Эффективность обработок снижается с увеличением глубин более 4000 метров и при глушении скважин пластовой водой.

В связи с тем, что с увеличением глубины скважины глушение производится пластовой водой, нами разработана электродная система, инициирующая высоковольтный разряд в закрытом объеме, заполненном дистиллированной водой, передающая удар через резиновый манжет. К сожалению, при этом передается только ударная нагрузка на пласт, т. к. плазмо-термический эффект высоковольтного разряда экранируется стенками сосуда.

Скважинное электроразрядное устройство включает в себя (рис. 2) следующие модули:
  • высоковольтный зарядный модуль для зарядки накопительных конденсаторов - 32 кВ постоянного тока;
  • высоковольтные накопительные конденсаторы – 3 шт.;
  • разрядник;
  • электродная система открытого типа либо электродная система закрытого типа.

Модули соединены муфтами. Общая длина скважинного устройства 6,5 – 7,0 м, в зависимости от компоновки. Диаметр – 102 мм. Вес – до 350 кг. Рабочее давление – до 40 МПа, рабочая температура – до 100°С. Напряжение питания наземного генератора (однофазная сеть) – 220 В, частота - 50 Гц.

В качестве источника высокочастотных колебаний нами разработано скважинное устройство, генерирующее упругие колебания в ультразвуковом диапазоне частот (18 – 25 кГц).

Восстановление потенциальной производительности добывающих и нагнетательных скважин достигается за счет разрушения КДС, кольматирующих прискважинную часть коллектора, вследствие чего образуются слои пониженной проницаемости.
К настоящему времени накоплен значительный опыт разработки и внедрения акустических технологий интенсификации добычи нефти [5-8], который учтен нами при разработке ударно-волновой технологии интенсификации добычи нефти и газа, применительно к характеристикам и условиям скважин, разрабатывающих нефтяные месторождения Украины.

Аппаратура ультразвукового воздействия (рис. 3) состоит из наземной части, формирующей напряжение постоянного тока питания скважинных генераторов (50 ¸ 300 В, 1А) и погружной части, состоящей из двух скважинных генераторов ультразвуковой частоты – 19,2 кГц и 20,8 кГц, системы автоматического поддержания резонансной частоты каждого генератора, в зависимости от влияния параметров рабочей среды (давления, плотности скважинной жидкости, температуры).

Выходная электрическая мощность ультразвуковых генераторов – 250¸300 Вт. Акустическая мощность, соответственно, - 180 и 240 Вт. Длина погружной части - 2 м при диаметре 85 мм. Рабочее давление - до 50 мПа. Рабочая температура – до 120°C.

Наземная и погружная части соединяются трехжильным кабелем каротажного подъемника.
Обработка ПЗП скважины производится в интервале перфорации пошагово, в точках через 1¸1,5 метра, с выдержкой 2¸4 часа.
 
Результаты обработок ПЗП скважин ударно-волновым воздействием на пласт

Нами выполнено более ста обработок ПЗП скважин, как добывающих: нефтяных и газовых, так и нагнетательных. Коэффициент успешности – 85%. Фактически он выше. Последнее замечание вызвано тем, что под успешной обработкой понимают такую, которая дала дополнительную добычу нефти и газа. В высокообводненных скважинах (содержание воды в продукции - более 97%) дополнительная добыча либо отсутствует, либо незначительна, хотя добыча по жидкости возрастает. Таким образом, происходит подмена критерия эффективности технологии не по улучшению фильтрационных свойств пласта в интервале перфорации, выражающегося в увеличении притока жидкости, а по товарной продукции.

Поскольку добыча определяется работой пласта и остаточным нефтегазосодержанием, а технология обработки ПЗП только облегчает фильтрацию с пласта в скважину, мы не приводим громоздких таблиц с абсолютными цифрами, так как специалисты знают, что эти величины определяются множеством других факторов. Диапазон прироста дополнительной добычи, для наших условий, лежит в границах от 20% до десятков раз и подтверждает, что разработанная нами технология эффективно решает основную свою задачу – улучшение гидродинамической связи системы «пласт-скважина» и вводит в разработку низкопроницаемые и изолированные зоны продуктивного пласта. Эффективная работа скважины после обработки ПЗП продолжается от 3 месяцев до 2 лет.

Экономические показатели окупаемости технологии, в условиях рынка, могут быть определены только на короткий период и для конкретных условий.

В связи с этим, приводим ориентировочный, среднестатистический срок окупаемости затрат на обработку ПЗП, исходя из реализации дополнительно добытой товарной продукции, суммарно, по всем скважино - операциям в течении года и с учетом затрат на добычу, капремонт, транспортировку и подготовку продукции скважин – до 4 месяцев на одну обработку ПЗП.

В заключение приведем основные выводы и рекомендации, которые помогут специалистам, работающим в этой области, и потребителям сделать свои оценки эффективности ударно-волновой технологии интенсификации добычи нефти и газа.

1. Все технические средства, реализующие технологию, сопряжены, как по механике, так и по электроцепям, со штатным оборудованием бригад капитального ремонта скважин и геофизических партий, что не вызывает затруднения в освоении технологии персоналом.

2. Технология позволяет производить выборочную, направленную обработку неоднородных по проницаемости пропластков для выравнивания профиля притока или приемистости, а также селективную обработку обводненных пропластков. Наблюдается также уменьшение обводненности продукции после обработки ПЗП.

3. Технология позволяет реализовать комплексно ударно-волновое воздействие с одновременной обработкой химическими реагентами, что обеспечивает синергетический эффект, превышающий сумму эффектов, получаемых от каждого воздействия в отдельности.

4. Продуктивный пласт положительно реагирует на повторяющиеся обработки ударно-волновым воздействием. Есть скважины, где обработка на протяжении 3-х лет проводилась трижды с хорошим технологическим результатом.

5. Эффективность технологии выше, при глушении скважин нефтью с обводненностью до 30%, и снижается при глушении пластовой водой. Скважинные устройства позволяют работу в электропроводящей среде.

6. Эффективность технологии выше в коллекторах, сложенных песчаниками, и ниже - в карбонатных коллекторах.

7. При работе в коллекторах со слабо сцементированными песчаниками необходимо снизить ударную нагрузку до 50 – 100 электроразрядов на 1 м интервала, т.к. наблюдается разрушение коллектора и значительный вынос песка, приводящий к необходимости повторного ремонта скважины.

8. В скважинах, имеющих сужение обсадной колонны или воронки, можно производить обработки ультразвуковым воздействием, в том числе и в среде химических реагентов. Результаты - выше в нагнетательных скважинах.

9. При интенсификации работы газовых скважин, в связи с необходимостью глушения их водой, ударно-волновое воздействие должно быть таким, чтобы вода не проникала далеко в пласт, так как освоение скважины в этом случае растягивается на длительное время.
Первым необходимо выполнять ультразвуковое воздействие. При этом можно увеличить время воздействия в каждой точке до 6 часов.

Электроразрядное воздействие следует проводить, руководствуясь двумя критериями:
  • до газопроявления, которое выражается в выбросах струек воды на высоту 1 ¸ 1,5 метра над фланцем превентора;
  • либо, при отсутствии газопроявления, - до 50 электроразрядов на 1 м интервала, что достаточно для разрушения и выноса пробок кольматанта с прифильтровой зоны.
Кроме того, для облегчения освоения газовой скважины после обработки ПЗП, в воду глушения необходимо добавлять пенообразующие вещества (ПАВ) и метанол.

10. Ударно-волновая технология достаточно эффективна на глубинах, где скелетная порода продуктивного пласта при объемном сжатии пористой среды деформируется в упругом режиме. Для месторождений Украины, субъективная оценка этих глубин составляет, примерно, 3500 метров. На больших глубинах имеет место необратимая деформация, что ставит задачу совершенствования данной технологии.

Учитывая, что часть нефтегазоносных горизонтов месторождений Украины находится на глубинах до 6000 метров и постепенно вводятся в разработку, необходимость разработки технологии для интенсификации работы скважин на больших глубинах становится очевидной. В связи с этим нами начаты работы по использованию энергии упругих волн для интенсификации электрофизических, электрохимических и термодинамических процессов в продуктивном пласте с целью интенсификации добычи углеводородов с больших глубин.


ЛИТЕРАТУРА

1. Кузнецов О.Л., Симкин Э.М. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере. – М.: Недра, 1990. – 211 с.

2. Кучернюк А.В. Комплексні технології ударно-хвильового впливу на продуктивні горизонти як інструмент підвищення ефективності експлуатації нафтових родовищ// Нафтова і газова промисловість – 2003. – №5. – С. 23-27.

3. Косенков В.М. Сизоненко О.Н. Динамика призабойной зоны нефтяной скважины под действием импульсной нагрузки//Воздействие высоких давлений на материалы: Труды института материаловедения НАН Украины - Киев, 1996. – С. 140-142.

4. Сизоненко О.Н., Швец И.С. Особенности электроразрядной технологии интенсификации фильтрационных процессов в нефтяных коллекторах// Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей: Труды конференции. – Санкт-Петербург, 1998. – С. 137-139.

5. Горбачев Ю.И. и др. Акустические методы повышения нефтеотдачи пластов и интенсификации добычи нефти//Нефтяное хозяйство. – 2002. – №5. – С. 87-91.

6. Горбачев Ю.И., Орентлихерман Э.И. Акустические технологии интенсификации добычи нефти// Интенсификация добычи нефти и газа: Труды международного технологического симпозиума. – Москва, 2003. – С. 309-317.

7. Шаймарданов М.М., Воронин Д.В., Орентлихерман Э.И., Михайлин В.Г. О проведении работ по технологии АРСиП на добывающих скважинах месторождений ТПП “Покачевнефтегаз”// Интенсификация добычи нефти и газа: Труды международного технологического симпозиума. – Москва, 2003. – С. 301 -308.

8. Молчанов А.А., Дмитриев Д.Н., Ушкало В.А., Аппаратура импульсного упругого воздействия на нефтяные пласты для интенсификации режима работы нефтегазовых скважин//Каротажник. – Тверь: АИС, 1998. - Вып. 50.
Смотрите также:

Пути совершенствования технологий интенсификации добычи нефти.
Л.В. Немировская, Ю.Д. Абрамов, А.А.Акульшин (ОАО «УкрНГИ», г. Киев) Разработка новых и совершенствование существующих технологий
Прогнозирование ловушек неструктурного типа в базальных горизонтах верхневизейских отложений северо-западной части Днепровско-Донецкой впадины. В.Г.
Прогнозирование ловушек неструктурного типа в базальных горизонтах верхневизейских отложений северо-западной части Днепровско-Донецкой впадины. В.Г.
Пакеты программ по планированию и обработке результатов гидродинамических исследований скважин, учету добычи нефти и газа
Пакеты программ по планированию и обработке результатов гидродинамических исследований скважин, учету добычи нефти и газа В.С. Ежов, В.А. Кучернюк,
Пути совершенствования системы разработки водоплавающих залежей нефти
Пути совершенствования системы разработки водоплавающих залежей нефти А.Г.Демидёнок, В.А.Питоня, Н.М.Галас, В.В.Николайчук (УкрНГИ, г. Киев)
Современный подход к проблемам опытно-промышленной разработки нефтяных и газонефтяных горизонтов московского яруса Сахалинского месторождения.
Н.М. Галас, Л.Н. Полторацкая, В. В. Николайчук, О. П. Шпак ( ОАО “УкрНГИ”, г. Киев ) В последнее время происходит быстрое развитие методов