Источник: научно-технический журнал «Нефть. Газ. Новации» 

Авторы:

Л.В. Кузик, директор ООО «Альфа ойл сервис»

В.Л. Кузик, к.т.н., доц., науч. руков. проекта ООО «Альфа ойл сервис»

А.С. Герасин, технический директор ООО «Бренд Фактор»

М.Ю. Щиголев, бизнес – консультант ООО «Альфа ойл сервис»

ГРП приводит к образованию в породе пласта трещин различного направления и протяженности. При мощном ГРП образуются трещины длиной до 100 м и более, при раскрытости до 10-18 мм. Закрепление этих трещин осуществляется посредством заполнения их проппантами. Известно, что при выполнении ГРП используется большое количество спецтехники, химреагентов и закрепляющих материалов, в большинстве своем импортного производства, что и является определяющим фактором высокой себестоимости таких операций [1].

Значительно менее дорогостоящим, но достаточно эффективным является технология гидроимпульсного (гидроударного) воздействия. Согласно теоретическим оценкам считается, что метод гидроимпульсного воздействия (ГИВ) на призабойную зону пласта приводит к образованию в ней как горизонтальных трещин протяженностью до 30 м с остаточным раскрытием до 3 мм, так и более значимых – вертикальных трещин, что позволяет вовлечь в процесс разработки разнопроницаемые пропластки, тем самым повысив охват пласта и продуктивность скважин [1,2,3,11].

Промышленное внедрение импульсной технологии и оборудования для ГИВ позволяет повысить нефтеотдачу пластов и увеличить объемы добычи как при заканчивании, так и на поздних стадиях эксплуатации нефтяных месторождений. Практика показывает, что проведение ГИВ позволяет увеличить приток флюида в несколько раз (в два и более, как правило) при приросте дебита по нефти от 5 до 23 т/сутки. Средняя суммарная дополнительная добыча на скважину составила 1,2÷3,0 тыс. тонн, продолжительность эффекта от операций на некоторых скважинах достигала от 6 до 18 месяцев.

Гидроимпульсное воздействие с использованием эффекта имплозии

Некоторые методы воздействия на призабойную зону пласта (ПЗП) основаны на использовании для создания трещин энергии высокотемпературных газов (свыше 1000 С⁰), образующихся при сгорании горюче-окислительных составов и твердотопливных пороховых систем с регулируемым импульсом давления [5,6].

Считается, что наиболее перспективным средством создания импульса давления для воздействия на ПЗП является использование эффекта имплозии — образования ударной волны в интервале продуктивного пласта. Основа предлагаемого нами метода заключается в том, что улучшение фильтрационных свойств ПЗП и, следовательно, повышение дебита добывающих и приемистости нагнетательных скважин достигаются за счет использования энергии гидравлического удара падающего столба скважинной жидкости [3,4].

Многочисленными исследованиями ученых [1,2,3,4] установлено, что для образования искусственных трещин в ПЗП достаточно создать давление, равное однократному горному давлению. На основе анализа результатов ГРП 600 тыс. скважин в России и США Ю.В. Зайцевым [5] было выявлено, что давление разрыва пласта на глубинах свыше 1000 м всегда меньше горного. Давление разрыва, необходимое для создания вертикальной трещины, должно превышать сумму пластового и горизонтальной составляющей горного давления [6].

При ГИВ давление гидроудара превышает горное давление, что обеспечивает как раскрытие, так и образование в ПЗП новых микротрещин. При гидроударе, как сверхскоростной динамической нагрузке при скоростях нагружения свыше 100 МПа/с, наблюдается пластическая деформация горных пород в зоне воздействия, вследствие чего, образовавшиеся фильтрационные каналы полностью не смыкаются под действием горного давления. В этом случае образовавшуюся трещину не требуется закреплять проппантом [5,7,9].

В качестве рабочей жидкости для повышения эффективности в данном методе в зависимости от типа породы-коллектора используется раствор глушения с возможностью применения кислотных различных композиций, ПАВ (поверхностно-активных веществ) или углеводородных растворителей.

Гидроударное волновое воздействие вызывает спектр продольных и поперечных акустических колебаний. Высокочастотное воздействие (20…40 кГц) разрушает дисперсно-коллодиный кольматант вблизи ПЗП за счет кавитационных процессов, а низкочастотное (5…30 Гц) воздействует на удаленную зону, приводя пластовый флюид в кратковременное колебательное движение. Кроме того, волновое воздействие приводит к тиксотропному разжижению глинистых включений, разрушению взаимных связей между частицами коллоидно-дисперсионного кольматанта и скелетом породы пласта. Улучшается фазовое соотношение воды и нефти. Также отсутствует нерастворимый осадок и риски, связанные с проведением ГРП.

Использование эффекта имплозии для создания импульса давления и импульса депрессии в нефтяной промышленности известно давно. Для гидроимпульсного воздействия ранее использовался сосуд Севостьянова, затем, вплоть до настоящего времени, стали использовать гидрогенератор давления, имплозионное устройство (ИУ) однократного или многократного действия. [2,9].

Гидроимпульсная скважинная установка для репрессионного воздействия на ПЗП (ГСУР)

Одной из главных причин возникновения малоэффективных способов имплозии является существующее до сих пор недостаточно правильное понимание сущности этого метода. Как показано выше, большинство авторов изобретений в рассматриваемой области рассчитывали получить эффект в первую очередь за счет создания депрессии на пласт, а не за счет использования энергии гидравлического удара. Исходя из этого, исследования и разработка метода проводились в основном в направлении создания таких устройств, которые бы способствовали возникновению депрессии, а не развитию гидравлического удара, хотя эффект от этого способа в большей степени может быть получен именно за счет использования мощности гидродинамического воздействия, а не депрессии. Так, например, в основном в ИУ заполнение имплозионного сосуда скорее будет происходить продавочной жидкостью из затрубного скважинного пространства, чем флюидами из пласта. Этим объясняется его низкая эффективность [3].

Отличительной особенностью предлагаемой технологии и устройства (схематично изображено на рис.1) для ее реализации является многократность и селективность воздействия на ПЗП и то, что основная роль отводится созданию гидроудара, чем явлению депрессии [10,11,12,13,14,15,16,17].

Рис.1 ГСУР [12, 13, 14]:

1 – колона НКТ, 2 – муфта НКТ, 3 – патрубок с входными окнами,4 – переходная муфта, 5 – цилиндр имплозионной камеры, 6 – патрубок с выходными окнами, 7 – муфта штанги, 8 – колонна штанг, 9 – плунжер, 10 – запорный клапан, 11 – самозапирающиеся регулируемые клапанные механизмы концентраторов, 12 – специальные уплотнители концентраторов.

Энергия импульса давления ГСУР расходуется на раскрытие трещины и переупаковку зерен скелета породы пласта. По мере увеличения расстояния от скважины амплитуда импульса давления снижается, а передний фронт становится менее крутым. Жидкость теряет свою способность к переупаковке зерен скелета породы, однако ее давление превышает горное давление, необходимое для раскрытия трещин, и раскрытие трещин еще некоторое время продолжается. Когда давление жидкости становится равным горному, процесс раскрытия трещин останавливается.

По мере дальнейшего снижения давления жидкости от горного до пластового начинается постепенное закрытие трещин. Этот процесс протекает в обратном направлении — от периферии к скважине. Жидкость постепенно выдавливается из трещины, и ее стенки смыкаются. В процессе смыкания трещины те зерна скелета породы, которые изначально оказались наиболее заклиненными и не изменили своего положения под действием импульса давления жидкости, входят в контакт с зернами противоположной стороны трещины, начинают воспринимать горное давление. Зерна скелета, которые под действием импульса давления получили перемещение или разворот, не смыкаются с зернами противоположной стороны трещины, образуя арочно-сводчатую структуру. Таким образом, в той области трещины, где под действием импульса давления жидкости происходит переупаковка зерен скелета породы пласта, происходит не полное смыкание стенок, а остаются соединенные между собой мельчайшие полости, соизмеримые с порами между зернами проппанта. Наличие таких полостей увеличивает дренируемость породы коллектора и не требует введения проппанта [3,7].

Для предлагаемого ИУ давление гидроудара в зоне перфорации скважины на уровне продуктивного пласта составляет 130-190 МПа.

Устройство ГСУР состоит из приемного патрубка с окнами, к которому в нижней части при помощи переходной муфты крепится цилиндр с установленным внутри плунжером, имеющим возможность совершать поступательные движения в вертикальном направлении. К нижней части цилиндра крепится патрубок с выходными окнами, которые устанавливаются напротив перфорационных отверстий обсадной колонны.

При подъеме плунжер устройства двигается вверх со скоростью 0,7-1 м/с, в результате чего в цилиндре создается разряжение. Столб жидкости из НКТ и межтрубного пространства со скоростью 100-120 м/с устремляется в цилиндр имплозионной камеры. Проходя имплозионную камеру, жидкость приобретает, таким образом, большую скорость и, открывая запорный клапан, через выходные окна генератора устремляется в межтрубное пространство, создавая гидравлический удар.

Самозапирающиеся регулируемые клапанные механизмы концентраторов и специальные уплотнители концентраторов обеспечивают высокоэффективное функционирование всего устройства и уменьшают протечки жидкости в момент гидроудара за пределы пространства, ограничиваемого концентраторами давления. Таким образом, кинетическая энергия падающей жидкости переходит в энергию гидроудара. Давление в зоне обработки стремительно растет и достигает 130 МПа за 0,05-0,1 с. Импульс давления, передаваемый через пластовую жидкость, распространяется с большой скоростью и действует на стенки раскрывающейся трещины, как клин. При этом, распространяясь в направлении наименьшего сопротивления, трещины не будет ориентированы только в вертикальной или горизонтальной плоскости, а будут похожи на сеть разветвленных горизонтально-вертикальных трещин, повышая, таким образом, охват пласта и, соответственно, улучшая гидродинамическую связь пласта со скважиной [3,7].Создание повторных импульсов давления несколько увеличивает протяженность, разветвленность и раскрытие трещин. Вместе с тем количество повторов ограниченно (в пределах 10-15), поскольку эффективность каждого последующего воздействия, по сравнению с предыдущим, падает из-за снижения амплитуды импульса давления и сглаживания его переднего фронта при фильтрации жидкости по длинным и узким каналам образующихся трещин. При применении данной технологии на месторождениях с технически неисправными эксплуатационными колоннами, при обработке определенных пород-коллекторов целесообразно осуществлять 5-7 повторов. При этом не требуется введения проппанта для сохранения каналов притока [3,7].

Данная технология позволяет применять различные химреагенты, например, кислоты и в этом случае ее уже можно позиционировать как кислотные обработки ПЗП глубокого проникновения (т.к.кислота под действием ударной волны будет глубже проникать в пласт, чем при традиционным продавливании),что несомненно увеличит эффективность кислотных обработок, повторное действие которых уменьшает с каждым разом получаемый эффект.

Гидроимпульсная скважинная установка для депрессионного воздействия на ПЗП (ГСУД)

Для очистки ПЗП от закупоривающего материала (кольматанта) производится обработка импульсами депрессии.

Нагнетательные скважины должны обладать высокой равномерной приемистостью по всей толщине пласта, что достигается очисткой поровых каналов ПЗП от грязи и других взвешенных веществ. Практикой установлено, что максимальная очистка порового пространства ПЗП происходит при применении таких способов дренирования, которые позволяют создавать резкие высокие депрессии на пласт, обеспечивающие высокие скорости фильтрации жидкости к забоям скважин в условиях установившихся режимов.

Для депрессии применяется ГСУД (схематично изображено на рис.2).

Рис. 2 ГСУД: 1 – колонна НКТ, 2 – дополнительный цилиндр, 3 – самозапирающиеся клапанные механизмы концентратора, 4 – патрубок с входными окнами, 5 – цилиндр имплозионной камеры, 6 – выходной канал, 7 – специальный уплотнитель, 8 – перфорационные отверстия, 9 – переходные муфты, 10 – плунжер, 11 – запорный клапан.

Напротив перфорационных отверстий эксплуатационной колонны располагается патрубок с входными окнами. При подъеме плунжера и выходе его из цилиндра имплозионной камеры, верхняя часть плунжера входит в дополнительный цилиндр, в то время как его нижняя часть находится еще в цилиндре имплозионной камеры. Это необходимо для того, чтобы предотвратить поступление скважинной жидкости из НКТ в цилиндр имплозионной камеры. При достижении нижней частью плунжера расширенного участка переходной муфты, пластовая жидкость из обрабатываемой зоны пласта устремляется вниз со скоростью 100÷120 м/с в цилиндр имплозионной камеры, создавая импульс депрессии. Далее, поток жидкости открывает запорный клапан и направляется в зумппф, происходит очистка ПЗП от кольматанта.

Имплозия (англ. implosion) — взрыв, направленный внутрь, в противоположность направленному наружу (англ. explosion). Например: обжатие вещества сходящейся концентрической взрывной волной, гравитационный коллапс.

В данной компоновке под имплозией подразумевается очень быстрый процесс заполнения флюидом определенного, наперед заданного, объема в пространстве. Этим объемом и является имплозионная камера. Во время перемещения плунжера вверх, минимальный зазор между ним и стенками имплозионной камеры практически исключает поступление жидкости сверху, а запорный клапан препятствует поступлению флюида снизу. При полном заполнении камеры возникает гидроудар (кинетическая энергия движущегося столба скважинной жидкости переходит в энергию гидроудара). При этом, в момент начала процесса заполнения жидкостью имплозионной камеры в верхней ее части развивается зона разряжения, которая концентрируется для импульсной откачки флюида/кольматанта из интервала перфорации. Именно так работает компоновка ГСУД, но и в этом случае используется эффект имплозии. Очевидно, что воздействие на ПЗП от создания зоны разряжения, существенно ниже, чем от создания зоны репрессии. Это подтверждается и практическими результатами.

Эффективность гидроимпульсных скважинных установок

Поповым А.А. установлено, что наилучшие результаты при применении технологии гидроимпульсного воздействия достигаются в скважинах, расположенных в окисленных зонах залежей или вблизи высокопродуктивных скважин, а также в скважинах с карбонатными и трещиноватыми коллекторами, где поверхности фильтрации и ПЗП засорены в процессе бурения, освоения или эксплуатации[3,4]. Целесообразными при подборе кандидатов являются скважины с неоднородными по физико-емкостным свойствам коллекторами, где происходит послойная выработка подвижных запасов нефти, а также имеющие в интервале дренирования остаточные запасы нефти. Пласты с проведенными ранее ГРП, снизившие дебит преимущественно за счет кольматации ПЗП также подходят для данной технологии.

Метод переменных давлений, достигаемый депрессией на пласт, дает хороший эффект в условиях высокопрочных пород и относительно высоких пластовых давлениях, т.к. интенсивное движение жидкости из пласта в скважину способствует очистке фильтровой части пласта от загрязнений (отложения парафина, АСПО и пр.). При применении его в рыхлых неустойчивых породах возможны их разрушение и образование пробок на забое.

Нередко плохая приемистость нагнетательных скважин обуславливается низкой проницаемостью пород пласта и большим количеством глинистых пропластков, и освоить их с проведением депрессии ПЗП не удается. Для увеличения приемистости таких нагнетательных скважин производят репрессионное воздействие, которое позволяет увеличить диаметры фильтрационных каналов или формировать развитую сеть микротрещин в породе пласта.

Конструктивное исполнение компоновки ГСУР позволяет удачно комплексировать ее со стандартными устройствами: пакерами, струйным насосом и т.д. Все это вместе позволяет, в зависимости от поставленной задачи, проводить обработку ПЗП, применять различные кислотные композиции, отсвабировать флюид, освоить скважину за одну спуско-подъемную операцию, что существенно сокращает время ремонта скважины и последующий вывод ее на режим.

В рамках исследования эффективности ГСУР были проведены обработки на месторождениях ОАО «Самаранефтегаз», ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз». Ниже в таблицах указаны результаты по обработкам в ОАО «Самаранефтегаз» в 2014-2015 г.г.:

Результаты в 2014 г. в ОАО «Самаранефтегаз»

Результаты в 2015 г. в ОАО «Самаранефтегаз»

Увеличение притока после воздействия составило в среднем 200-300%, среднеарифметический прирост по дебиту нефти в этом случае составил 7,6-7,8 т/сутки соответственно. Во всех случаях работы на объектах ОАО «Самаранефтегаз» кислотные составы не использовались.

Гидроимпульсное воздействие целесообразно применять:

· в скважинах, в которых нефтяной пласт отделен от водонасыщенного пласта тонкой глинистой перемычкой; на таких объектах проведение ГРП с закреплением проппантом очень рискованно вследствие вероятного распространения трещин большей протяженности по вертикали в водоносный горизонт;

· с целью увеличения продуктивности скважины вместо проведения повторной перфорации интервала;

· в случаях, когда в скважине есть несколько перфорированных интервалов с разной проницаемостью, возможна выборочная обработка любого из них; это равносильно кислотному ОПЗ с отклонителем, при этом имплозионное воздействие не имеет вредных факторов, таких как нерастворимый осадок при реакции частиц породы от кислотного ОПЗ.

Кроме того, результаты использования технологии показали, что метод имплозии безопасен в применении, не нарушает цементацию обсадных труб и не создает опасных нагрузок на НКТ.

Проведение гидроимпульсного воздействия с использованием представленных устройств целесообразно проводить совместно с КРС и ТРС.

Список литературы:

1. Сучков, Б.М. Интенсификация работы скважин. – Москва-Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований, 2007. – 612 с.

2. Дыбленко В.П. Волновые методы воздействия на нефтяные пласты с трудноизвлекаемыми запасами. Обзор и классификация. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2008. – 80с.

3. Попов А.А. Имплозия в процессах нефтедобычи. – М.: Недра, 1996. – 186 с: ил.

4. Бурьян Ю.А. и др., Локальный гидроразрыв пласта методом имплозионного воздействия. // - Тюмень: Изд-во вузов, 2009. - 5с.

5. Зайцев Ю.В. Исследование и решение некоторых проблем повышения эффективности процессов интенсификации добычи нефти //Дис. докт. техн. наук. - М.: 1973. - 391 с.

6. Желтов Ю.П. Деформации горных пород.// - M: Недра, 1966. - 198 с.

7. Коротаев Ю.П. Избранные труды Т. 1-3. – М.: ОАО «Издательство «Недра», 2002.

8. Максимович Г.К. Гидравлический разрыв нефтяного пласта. - М.: Гостоптехиздат, 1957. - 98 с.

9. Волков Ю.А., Конюхов B.M. и др., Математическое Моделирование имлозионного воздействия на пласт. // Казань: Изд-во «Плутон»,2004. - 78 с.

10. Попов А.А. Ударные воздействия на призабойную зону пласта.// –М.: Недра, 1990, 136 с.

11. Абдулин, Ф.С. Добыча нефти и газа. Учебное пособие для рабочих. – М.: Недра, 1983. – 256 с.

12. Имплозионный гидрогенератор давления: пат. 156118 РФ: МПК Е21В 43/25,Е21В 28/00/ Кузик Л.В.; опубл. 27.10.2015, Бюл. №30.

13. Имплозионный гидрогенератор давления: пат. 156404 РФ: МПК Е21В 43/25,Е21В 28/00/ Кузик Л.В.; опубл.10.11.2015, Бюл.№ 31.

14. Имплозионный гидрогенератор давления: пат.2585299 РФ: МПК Е21В 43/25,Е21В 28/00/ Кузик Л.В.; -№2015113266/03(020733); заяв.09.04.2015.

15. Имплозионный гидрогенератор давления: пат.146622 РФ: МПК Е21В 43/25,Е21В 28/00,Е21В 37/00/ Кузик Л.В., Кашин Н.В., Родичев С.А.;опубл.20.10.2014,Бюл.№29.

16. Имплозионный гидрогенератор давления: пат.117493 РФ: МПК Е21В 43/25,Е21В 28/00/ Кузик Л.В., Кашин Н.В.;опубл.27.06.2012,Бюл.№18.

17. Устройство для многократной имплозии: пат.120997 РФ: МПК Е21В 43/25, Е21В 28/00/ Кузик Л.В., Кашин Н.В.;опубл.10.10.2012,Бюл.№28.

18. Гидродинамический имплозионный генератор давления многоразового действия: пат.62971 РФ: МПК Е21В37/00/ Бурьян Ю.А., Сорокин В.Н., Кузик В.Л., Безденежных Н.В., Безденежных А.Н.; опубл.10.07.2007,Бюл.№28

19. Устройство для гидроимпульсного воздействия на призабойную зону пласта: пат. 2320866 РФ: МПК Е21В 43/25,Е21В 28/00/ Бурьян Ю.А., Сорокин В.Н., Кузик В.Л., Безденежных Н.В., Безденежных А.Н.; опубл.27.03.2008,Бюл.№9.

Статья резидента ООО «Бред Фактор», подготовленная при поддержке Технопарка высоких технологий Югры