СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ НАКЛОННОЙ СКВАЖИНЫ Российский патент 1997 года по МПК E21B43/24 E21B43/26 

Изобретение относится к горной, конкретно к нефте- и газодобывающей отраслям, и предназначено для применения в наклонных (в т.ч. горизонтальных) скважинах.

Известно, что для повышения эффективности извлечения флюида из продуктивных пластов используют наклонные, в том числе горизонтальные, скважины, располагаемые вдоль продуктивных пластов (1). При этом выбор направлений проходки наклонных скважин внутри пласта обусловлен конфигурацией продуктивного пласта, взаимным размещением совокупности вертикальных скважин, от которых начинается проходка наклонных скважин, и другими подобными соображениями экономичности охвата всего месторождения наименьшим числом наклонных скважин. При этом ни в одной из известных нам реализаций не принимались во внимание геомеханические критерии направление и величины главных горизонтальных напряжений горных пород.

Известно также, что при добыче посредством наклонных скважин возникает та же проблема, что и в случае вертикальных скважин: на больших глубинах из-за значительных величин горного давления происходит закупорка прискважинной зоны тангенционными напряжениями, приводящая к уменьшению и даже прекращению притока флюида в скважину. Для разрыва кольцевой зажатой зоны применяют, в частности, методы гидроразрыва пласта с закачкой в трещины кварцевого песка (2), кислотную обработку прискважинной зоны, вытеснение флюида жидкостью газом, интенсификацию вибрацией, электроразрядом, перфорацией стенок скважины отверстиями и полостями (3, 4) и другие.

Эффективность перечисленных способов в ряде случаев не достаточна, а реализация дорога. Так, гидроразрыв, кислотная обработка, точечная перфорация подключают к стволу скважины только часть пласта, непосредственно к нему примыкающую, причем ненадолго, так как образовавшиеся щели остаются под прежним горным давлением и со временем вновь смыкаются. Методы вытеснения флюида требуют проходки дополнительных вертикальных скважин. Интенсификация взрывом, вибрацией, электроразрядом связана с применением сложного дорогого оборудования, не гарантирует получения желаемого эффекта, а если эффект и получен, то он недолговечен, т. к. образованные дополнительные каналы со временем смыкаются (закрываются) под действием горного давления, и интенсификацию надо повторять.

Из техники интенсификации вертикальных скважин известен способ перфорации щелевой разгрузки, позволяющий почти полностью снять горное напряжение с прискважинной зоны, причем практически навсегда. Это дает большое и не уменьшающееся со временем повышение эффективности скважин.

Известны способы перфорации щелевой разгрузки и при проходке наклонных скважин: перфорацию щелевую разгрузку проводят в направлении максимальной трещиноватости прискважинной зоны, вверх от скважины.

Перечисленные способы не всегда эффективны, т.к. в наклонных скважинах действует другой механизм горного сжатия, при котором решающее значение имеют ориентация направления перфорации относительно главных горизонтальных напряжений, а также протяженность и ширина перфорационных полостей. В частности, перфорация щелями в направлении максимальной трещиноватости может оказаться малоэффективной вследствие "зажатия" трещин кольцевыми (тангенциальными) напряжениями удвоенной концентрации, возникающими вокруг круговых перфорационных каналов. Это явление хорошо известно из теории сопротивления материалов.

Способ с перфорацией (образованием полостей) вверх от скважины (4) является наиболее близким к заявляемому и выбран в качестве прототипа. Он предусматривает выбор направления проходки наклонной скважины, проходку скважины, вертикальную перфорацию стенок скважины в ее верхней части через определенные интервалы по длине скважины и гидроразрыв (образование полостей) пласта через указанные выше перфорационные отверстия, образующий полости или щели вдоль скважины.

Способ-прототип не всегда работает удовлетворительно.

1. Известно, что максимальная разгрузка скважины перфорацией щелью имеет место, если полость щели ориентирована перпендикулярно главному максимальному горизонтальному напряжению. Как указывалось выше, выбор направления проходки скважины и, соответственно, плоскости щели, идущей вертикально вдоль скважины, никак не связывался с направлением главного напряжения. Естественно, в большинстве случаев разгрузка скважины будет не оптимальна, а иногда, когда плоскость щели будет близка к главному максимальному горизонтальному напряжению, щель вообще не будет работать она сразу же будет сжата горным давлением.

2. В случае удачной (случайной) ориентации перфорации прирост притока флюида образуется только в местах перфорации гидроразрывом (щелей, полостей), т.е. не по всей длине горизонтальной скважины.

3. Размеры перфорационных полостей и промежутков между ними чрезвычайно важны для получения эффекта разгрузки и его сохранения. Они связаны с характеристиками напряжений в продуктивном пласте и горных породах, что никак не учитывается в способе-прототипе. В частности, при перфорации толщиной 1 см произойдет очень быстрое смыкание стенок полости и эффект повышения продуктивности вообще не будет получен. При толщинах щелей более 2d щель практически не образуется. Она совместно со скважиной дает в сечении форму, близкую к круговому эллипсу, что приводит снова к образованию запорного кольца, но сдвинутого дальше относительно центра скважины.

При ширине щели менее 3d разгрузка продуктивного пласта малоэффективна, т. к. кольцо повышенных концентраций напряжений вокруг скважины разрывается не по всей окружности, а при ширине более 5d кольцо напряжений вокруг скважины полностью разрывается и зоны опорного давления локализуются вокруг концевых щелей, т.е. необходима функциональная связь размеров перфорационных полостей с геомеханическими характеристиками месторождения.

Задачей настоящего изобретения является повышение продуктивности наклонных скважин.

Эта задача решается тем, что в известный способ повышения продуктивности, предусматривающий выбор направления проходки скважины, проходку скважины, определение направления перфорации скважины, перфорацию (образование отверстий, щелей, полостей) скважины, внесены существенные изменения и дополнения, а именно: перед выбором направления проходки наклонной скважины определяют вектор (направление и величину) максимального главного горизонтального напряжения горной породы в месте проходки, направление проходки выбирают в пределах ±40^o от направления вдоль и/или поперек максимального главного горизонтального напряжения, а совокупность перфорационных отверстий (перфораций) выполняют в виде дискообразных щелевых полостей вокруг скважины в плоскости, перпендикулярной скважине, при продольной проходке, и в виде щелевых вертикальных полостей вдоль скважины вверх и вниз от нее при поперечной проходке скважины относительно указанного выше направления максимального главного горизонтального напряжения.

Кроме того, для повышения экономичности и технологичности между щелевыми полостями могут быть оставлены целики, активизирующие приток флюида горных пород.

Кроме того, для оптимизации способа размеры дискообразных щелевых полостей, охватывающих скважину, могут быть выбраны из соотношений: D>2d, где d диаметр скважины (см), а толщина дискообразной полости не менее 2 см.

С целью оптимизации способа длину целика между соседними дискообразными полостями могут выбирать из соотношения:

где σ₁ максимальное главное горизонтальное напряжение в месте разделки полостей, МПа;
σ_куб кубиковая прочность продуктивного пласта в прискваженной зоне МПа;
K 0,5-5,0 (в зависимости от горно-геологических условий).

Кроме того, с целью оптимизации способа размеры щелевидных полостей, расположенных вдоль скважины, могут выбирать из соотношений: высота каждой щели не менее 2d, длина не менее 5d, где d диаметр скважины, а толщина полости не менее 3 см. Длину целика между соседними щелевидными полостями можно выбрать из соотношения
,
где K 0,5-5,0 (в зависимости от горно-геологических условий).

Для дальнейшего повышения эффективности можно определить границы тектонически напряженных зон, через которые проходит скважина, измерять в них величины максимальных главных горизонтальных напряжений σ₁ и прочности продуктивного пласта σ_куб и при перфорации щелевых полостей в указанных выше зонах соответственно изменять размеры щелевых полостей и активирующих целиков.

На фиг. 1 показан выбор направлений проходки наклонных скважин; на фиг. 2 наклонная скважина с дискообразными щелевыми полостями; на фиг. 3 - наклонная скважина с щелевыми вертикальными полостями вдоль скважины; на фиг. 4 ориентация разгрузочных щелевых вертикальных полостей; на фиг. 5 расчет длины целиков между дискообразными щелевыми полостями; на фиг. 6 Расчет длины целиков между щелевыми вертикальными полостями.

Приняты следующие обозначения: 1 горная порода, 2 вертикальная часть скважины, 3 наклонная часть скважины, 4 щелевые полости, 5 зоны опорного давления.

Способ реализуется следующим образом.

После проходки вертикальной скважины до продуктивного слоя определяют вектор (направления и величину) главного максимального горизонтального напряжения горной породы в месте проходки наклонной скважины. Это осуществляется хорошо известными способами. Затем выбирают направление проходки вдоль или поперек главного максимального горизонтального напряжения. Наилучшие результаты по геомеханическим критериям можно получить при приближении к указанным направлениям вдоль или поперек главного максимального напряжения, но практически необходимо учитывать и другие факторы конфигурацию месторождения, наличие уже действующих скважин, необходимость охвата скважинами всего месторождения и т.п. Поэтому практика определила допустимые отклонения от идеальных направления ±40^o (см. фиг. 1). После этого осуществляют проходку в выбранных направлениях одной или нескольких скважин. Это можно сделать с помощью средств, широко используемых в горной промышленности.

В данном приложении эти средства не имеют каких-либо специфических требований, т. е. оборудование стандартное. Подземную ориентацию направления проходки производят одним из известных способов.

Затем определяют направление перфорации наклонных скважин. Для скважин, ориентированных в направлении ±40^o вдоль направления главного максимального горизонтального напряжения, это направление в плоскости, перпендикулярной скважине (фиг. 2), а для скважин, ориентированных в направлении ±40^o поперек направления главного максимального горизонтального напряжения, это направление вверх и вниз от скважины вдоль нее. (фиг. 3). После этого производят перфорацию (образование щелей) в указанных выше направлениях. Эту операцию лучше всего осуществлять гидроструйным перфоратором, например типа АП-6. Практика показала, что гидропескоструйный способ обеспечивает сохранение естественной проницаемости пород, не уплотняет породу в зоне перфорации, не деформирует цементный камень и колонку и обеспечивает наибольшую глубину проникновения в пласт и управление размерами перфорационных щелей.

Перечисленные операции размыкают кольцо прискважинной напряженности.

Как следует из теоретических расчетов, снижение избыточных (по сравнению с нормальным геостатическим давлением) напряжений, действующих вблизи ствола скважины, приводит к реальной возможности увеличения проницаемости продуктивного пласта и повышения притока флюида в скважину.

Разделка щелевидных полостей сказывается на перераспределении напряжений. Концентрация напряжений вокруг скважины исчезает, переносится на края щелевидных полостей, а в направлении, перпендикулярном плоскости щелевидной полости, образуется "коридор" разгрузки.

Таким образом, примененный нами комплексный подход к решению задачи - согласование выбора направления проходки скважины (относительно горизонтальных напряжений) с ориентацией щелевых полостей, дали новый качественный результат повышение продуктивности наклонной скважины по всей ее длине и на длительный срок.

Второй пункт формулы развивает полученный результат, повышает экономичность способа. Поскольку наклонная скважина достаточно длинна, прорезка в ней сплошных продольных щелевых полостей сложна и дорога. Тогда между щелевыми полостями оставляют целики, активизирующие приток флюида горных пород (фиг. 5, 6). Размеры целиков между дискообразными полостями и между щелевыми вертикальными полостями различны. Они выбраны исходя из следующих соображений. Необходимо, чтобы они не разрушались, т.е. выдерживали приходящиеся на них нагрузки и действовали, как штаммы, на окружающие породы. Тогда происходит "выдавливание" флюида из продуктивного пласта в разделанные щелевые полости и скважину, т.е. они активизируют приток флюидов. Для этого необходимо, чтобы длина целика была не более удвоенной ширины зоны опорного давления, образующейся от каждой из соседних, смежных щелевых полостей. Исходя из теории расчета опорного давления, значения длин целиков для дискообразных щелевых полостей будут:

а для вертикальных щелевых полостей:

где: σ₁ максимальное горизонтальное напряжение в месте перфорации;
σ_куб кубиковая прочность продуктивного пласта в прискважинной зоне, Мпа;
d диаметр скважины, см;
K 0,5-5,0 (в зависимости от горно-геологических условий).

Дальнейшим развитием способа является оптимизация размеров щелевых полостей их глубины и толщины. С одной стороны, щелевые полости должны долго и эффективно разгружать кольцевые напряжения вокруг скважины, с другой, быть максимально экономичными, так как их перфорация трудна и дорога. С учетом различного механизма работы щелевых вертикальных полостей и дискообразных полостей (см. фиг. 2 и 3) получены следующие соотношения их размеров: для дискообразных полостей D>2d, толщина не менее 2 см; для щелевых вертикальных полостей глубина щели ≥2d, толщина не менее 3 см.

Уменьшение указанных размеров приводит к снижению притока флюидов, а увеличение к неоправданному росту сложности и стоимости работ.

Дальнейшим усовершенствованием способа является изменение параметров щелевых полостей в тектонически напряженных зонах, через которые проходит скважина. Для этого определяют границы указанных тектонически напряженных зон, измеряют в них величины максимального главного максимального горизонтального напряжения и прочность продуктивного пласта и измеряют в соответствии с ними при перфорации в этих зонах размеры щелевых полостей и активирующих целиков.

По тексту описания реализации способа приведены ссылки на технические приемы и средства, известные в данной области, необходимые для осуществления способа. Никаких новых необычных средств не требуется.

Способ во всех его реализациях проверен на модели, результаты приведены в таблице. Они подтверждают его выполнимость, правильность теоретических предпосылок и расчетов, а также наличие решения поставленной задачи - повышение продуктивности наклонных скважин.

Измерения проведены на экспериментальной модели месторождения. Продуктивный пласт залегает на глубине 1200-1201,5 м, длина наклонной скважины 120 м, σ₁=30 МПа, σ_куб=80 МПа..

Использование: в нефтегазодобывающей отрасли при бурении наклонных (в т.ч. горизонтальных) скважин для повышения продуктивности наклонных скважин. Сущность изобретения: по способу определяют направление проходки скважины. Определяют направление перфорации. Осуществляют собственно перфорацию. Перед выбором направления проходки определяют направление и величину максимального главного горизонтального напряжения в массиве горных пород в месте проходки. Направление проходки - в пределах ±40^o от направления вдоль и/или поперек максимального главного горизонтального напряжения. Перфорацию выполняют в виде дискообразных щелевых полостей. Их осуществляют вокруг скважины в плоскости, перпендикулярной скважине в случае продольной проходки. При поперечной проходке их осуществляют в виде щелевых вертикальных полостей вдоль скважины вверх и вниз от скважины. 6 з.п. ф-лы, 6 ил. 1 табл.

1. Способ повышения продуктивности наклонной скважины, предусматривающий определение направления проходки скважины, проходку скважины, определение направления перфорации скважины, перфорацию скважины, отличающийся тем, что перед выбором направления проходки определяют направление и величину максимального главного горизонтального напряжения в массиве горных пород в месте проходки, направление проходки выбирают в пределах ± 40^o от направления вдоль и/или поперек максимального главного горизонтального напряжения, а перфорацию выполняют в виде дискообразных щелевых полостей вокруг скважины в плоскости, перпендикулярной скважине, при продольной проходке, и в виде щелевых вертикальных полостей вдоль скважины вверх и вниз от скважины при поперечной проходке скважины относительно указанного направления максимального главного горизонтального напряжения в горных породах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между щелевыми полостями оставляют целики, активизирующие приток флюида. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что размеры дискообразных щелевых полостей, охватывающих скважину, выбирают из соотношения D > 2d, где D диаметр полости, см; d диаметр скважины, см, а толщина дискообразной полости не менее 2 см. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что длину l целика, размещенного между соседними дискообразными щелевыми полостями, выбирают из соотношения

где σ₁ максимальное главное горизонтальное напряжение, МПа;
σ_куб. кубиковая прочность продуктивного пласта, МПа;
K 0,5 5,0 в зависимости от горногеологических целей. 5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что размеры щелевидных полостей, расположенных вдоль скважины, составляют: высота каждой щели не менее 2d, длина не менее 5d, а толщина не менее 3 см. 6. Способ по пп.1, 2 и 5, отличающийся тем, что длину L целика, размещенного между соседними щелевидными полостями, выбирают из соотношения

7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что определяют границы тектонически напряженных зон, через которые проходит наклонная скважина, измеряют в них величины максимального главного горизонтального напряжения σ₁ и прочность продуктивного пласта σ_куб. и при перфорации щелевых полостей в указанных зонах соответственно измеряют размеры щелевых полостей и активизирующих целиков.