СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПЛАСТА ЖИДКИМ ГОРЮЧЕ-ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ СОСТАВОМ Российский патент 1997 года по МПК E21B43/263 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для разрыва и обработки нефтегазоносных пластов высокотемпературными газами.

Одним из рациональных методов повышения производительности разведочных и добывающих скважин, а также приемистости нагнетательных является создание вокруг скважины трещин, которые обеспечивают надежную гидродинамическую связь скважины с удаленной зоной пласта, обладающей естественными фильтрационными свойствами. В настоящее время для этой цели успешно применяют способы, основанные на сжигании в скважине твердых и жидких топливных композиций, что сопровождается образованием газообразных продуктов горения, повышением давления и температуры в скважине /1/. Такое воздействие на горные породы, пластовые флюиды и твердые отложения приводит к созданию в призабойной зоне пласта (ПЗП) трещин и частичной очистке ее от отложений парафина, асфальто-смолистых и песчано-глинистых частиц.

Процесс трещинообразования в пласте начинается при достижении в скважине давления, превышающего сумму пластового и бокового горного давления /2/. Часть импульса давления, превышающего указанную величину, будем называть эффективной частью импульса. После спада давления в скважине, т.е. после разгрузки, в горной породе возникают остаточные трещины, параметры которых зависят от амплитуды и продолжительности эффективной части импульса давления. Обработка пласта давлением газов результативна при достаточно продолжительной эффективной части импульса давления.

Известен способ образования трещин в прискважинной зоне пласта /3/, в котором жидкое взрывчатое вещество (ВВ) впрыскивается последовательно между нижней и верхней пробками, изолирующими ВВ от скважинной жидкости, а расположение детонаторов на определенном расстоянии друг от друга и их спуск в зону подрыва обеспечивают последовательную детонацию порций ВВ.

Наиболее близким изобретением является способ обработки пласта жидким горюче-окислительным составом /4/, принятый нами за прототип, содержащий размещение в скважине ГОС, установку в нем источника тепловой энергии для поджига ГОС путем его спуска в скважину, подачу управляющего сигнала на включение источника тепловой энергии и поджига ГОС за счет выделения тепла в источнике тепловой энергии.

Недостатком этих способов является малое время эффективного воздействия на пласт (10^-3 10^-4 с), что характерно для взрывных процессов, невозможность обработки больших интервалов и сложно-построенных коллекторов из-за высоких давлений, развиваемых при взрыве и приводящих к разрушению скважины, а также сложность предложенных технологий.

Целью изобретения является увеличение результативности обработки пласта за счет увеличения времени эффективной части импульса давления при сжигании ГОС.

По длительности действия импульса давления предлагаемый технологический процесс занимает промежуточное положение между гидроразрывом пласта и обработкой пласта пороховыми газогенерирующими устройствами. Длительность эффективной части импульса давления при гидроразрыве составляет от нескольких минут до десятков минут, для пороховых генераторов не более 0,5 с, а по предлагаемой технологии от 4 до 10 с.

Примерами таких ГОС являются составы на основе водных растворов нитрата аммония (аммиачной селитры) и водорастворимых горючих органического происхождения. Установлено, что тип горючего слабо влияет на энергобаллистические характеристики ГОС, и поэтому выбор конкретной рецептуры ГОС достаточно широк. Некоторые рецептуры приводятся в /5/. Такие составы не детонируют, а скорость горения их соответствует скорости горения пороховых составов, применяемых в генераторах давления различных типов(ПГД. БК, АДС и др.). Поджиг таких составов осуществляется с помощью источника тепловой энергии, помещенного в ГОС. Режим горения ГОС определяется глубиной погружения источника в ГОС, энергетическими параметрами источника и ГОС, а также геолого-техническими условиями в скважине. Это позволяет управлять процессом горения больших масс ГОС (свыше 300 кг и более) и регулировать параметры импульса давления. При этом достигается не только требуемое для разрыва пласта давление, но и значительное увеличение продолжительности эффективной части импульса давления. Для сравнения отметим здесь, что в генераторах давления масса пороховых зарядов не более 100 кг.

Такие составы не содержат токсичных компонентов, имеют широкую сырьевую базу, пожаро- и взрыво- безопасны при нормальных условиях, имеют низкую стоимость.

Предлагаемая технология основана на использовании штатного нефтепромыслового оборудования и хорошо отработанных технологических операций. При этом операция приготовления ГОС может быть осуществлена непосредственно на месте работ, а операция воспламенения ГОС с помощью, например, штатных пороховых генераторов давления ( ПГД.БК 100 М, ПГД.БК-150, АДС-6, ПГД.БК-100/50 и др.) или специально разработанных средств воспламенения.

Рассмотрим последовательно основные операции технологии и их особенности.

1. Предлагаемая технология предусматривает размещение определенного количества ГОС в скважине путем спуска НКТ к забою скважины. Нижний конец колонны должен находиться в непосредственной близости (менее 3 м) от забоя для предотвращения перемешивания ГОС со скважинной жидкостью.

Масса ГОС должна быть достаточной для создания при горении продолжительного по времени импульса давления, необходимого для разрыва пласта. С одной стороны, масса ГОС не должна превышать этой величины, т.к. при горении могут возникнуть высокие давления, опасные для крепи скважины. А с другой стороны, меньшее количество ГОС может привести к уменьшению амплитуды и продолжительности эффективной части импульса давления, что приведет к снижению результативности обработки.

Желательно, чтобы плотность ГОС была больше плотности скважинной жидкости. Требование к плотности является факультативным и позволяет обеспечить размещение ГОС в заданном интервале обработки и последующее нахождение в этом интервале до его поджига, если, например, время пребывания ГОС в скважине по тем или иным причинам может оказаться достаточно большим.

Схема размещения жидкостей и НКТ после спуска НКТ и закачки ГОС показана на фиг.1, (1 забой, 2 НКТ, 3 ГОС, 4 продавочная жидкость, 5 - скважинная жидкость, 6 обсадная колонна, 7 устье).

2. Продавка ГОС в интервал обработки.

За счет избыточного давления, создаваемого, например, насосом, продавочная жидкость 4 и ГОС 3 начнут перемещаться вниз по НКТ, при этом скважинная жидкость 5 в затрубном пространстве начнет перемещаться вверх и часть ее выльется из скважины, а ГОС разместится в НКТ и в затрубном пространстве, начиная от забоя. Для размещения ГОС в заданном интервале количество продавочной жидкости должно быть строго определенным. Схема размещения жидкостей после выполнения этих операций показана на фиг.2.

3. После продавки ГОС в зону обработки поднимают НКТ 2 на безопасное расстояние для защиты их от чрезмерно высокого силового воздействия при горении ГОС (см. фиг. З). Величина этого расстояния зависит от массы и характеристик ГОС и источника тепловой энергии, а также от геометрических параметров скважины. Накопленный опыт обработок различных скважин показывает, что эта величина составляет 50 м и более (отсчет от верхней границы ГОС).

4. Спускают в скважину и размещают на определенной глубине в ГОС источник тепловой энергии 8, например, на кабеле 9, с достаточным выделением тепла для поджига ГОС, причем глубина погружения источника тепловой энергии в ГОС определяется параметрами скважины, пласта, источника и ГОС.

Продукты горения источника тепловой энергии и ГОС из-за подъемной силы устремляются вверх, увеличивая поверхность контакта с жидким ГОС и воспламеняя его по этой увеличивающейся поверхности, пока она не достигнет верхней границы ГОС. В то же время для части ГОС, расположенной ниже источника тепловой энергии, поверхность контакта с продуктами горения близка к горизонтальной и практически остается постоянной. Поэтому газоприход в скважину при горении верхней части ГОС значительно выше, чем при горении нижней части. В связи с этим величина давления в скважине и продолжительность эффективной части импульса давления весьма чувствительны к глубине погружения источника тепловой энергии в ГОС. По данным испытаний в скважине глубина погружения источника тепловой энергии в ГОС находится в пределах 10-50 м от верхней границы ГОС.

Для инициирования реакции горения ГОС необходимо прогреть его до температуры интенсивного разложения компонентов горючего и окислителя. Эта температура для некоторых компонентов ГОС достигает 320^o-340^oC. Поэтому, из-за наличия воды в составе ГОС минимальное давление, при котором возможен нагрев ГОС до температуры разложения, должно быть не ниже 12-15 МПа (при этих давлениях температура кипения воды достигает температуры разложения). Указанный уровень давления является минимальным для воспламенения ГОС. Энергоемкость источника тепловой энергии можно оценить следующим образом. Количество тепла, необходимое для нагрева ГОС до температуры разложения:
E M•C_p•(T_p T_o),
где
M-масса прогреваемого ГОС;
C_p-удельная теплоемкость ГОС;
Т_p-температура интенсивного разложения наиболее термостойкого компонента ГОС;
T₀-начальная температура ГОС в зоне воспламенения.

Масса прогреваемого ГОС, необходимая для надежного инициирования реакции разложения в скважинных условиях, составляет по данным испытаний не менее М
20-25 кг, а удельная теплоемкость ГОС близка к теплоемкости воды и при давлениях свыше 12 МПа в рассматриваемом диапазоне температур составляет C_p приблизительно 0,004-0,006 МДж/(кгК). Приняв C_p приблизительно 0,005 МДж/(кгК), минимальную энергоемкость источника тепловой энергии можно определять из выражения:
E k•(T_p-T_o),
где
k приблизительно 0,1 -0,125 МДж/К.

Например, для поджига ГОС с максимальной температурой интенсивной газификации наиболее термостойкого компонента-нитрата аммония- равной t 340^oC и с начальной температурой в зоне воспламенения t 60^oC необходимо выделить энергию не менее E 0,1•(340-60) 28 МДж. При использовании в качестве источника тепловой энергии порохового заряда с теплотворной способностью 4 МДж/кг, необходим заряд массой не менее 28/4=7 кг.

Данные испытаний и расчеты показали, что для надежного воспламенения ГОС можно применять в качестве источника тепловой энергии пороховой заряд из баллистита или смесевого твердого ракетного топлива массой не менее 7 кг.

5. Подача управляющего сигнала на включение источника тепловой энергии, после чего за счет выделенного тепла осуществляется поджиг ГОС.

Описанная технология дополняется в следующих частных случаях.

а) Большое время нахождения водорастворимых ГОС в скважине до момента поджига.

В этом случае возможно разбавление ГОС скважинной жидкостью. Стендовые исследования показали, что разбавление ГОС резко ухудшает его энергетические характеристики и приводит к уменьшению давления и эффективной части импульса, и даже к невозможности воспламенить состав. Для изоляции состава от разбавления применяют разделительную жидкость, а для исключения перемешивания жидкостей в процессе закачки и последующего их нахождения в скважине до поджига ГОС плотность разделительной жидкости должна быть не выше плотности ГОС и не ниже плотности скважинной жидкости. В качестве разделительной жидкости можно применять гидрофобные жидкости, нефть и др.

б) Большое удаление зоны обработки от забоя скважины или обработка сложно-построенных коллекторов.

В этом случае устанавливают ограничительный экран у нижней границы размещения ГОС, что позволяет разместить ГОС в необходимом для обработки количестве, а также исключить воздействие на нижележащие пласты. Ограничительный экран может быть выполнен в виде искусственного забоя, пакера или путем заполнения части скважины жидкостью с плотностью, большей чем плотность ГОС.

в) Уровень скважинной жидкости находится близко к устью скважины. Под действием газов, образуемых при горении ГОС, столб скважинной жидкости будет двигаться вверх. Для исключения выброса скважинной жидкости и сохранения целостности устьевого оборудования перед поджигом ГОС создают воздушный промежуток между устьем и верхней границей скважинной жидкости путем откачки части скважинной жидкости. По результатам работ на скважинах глубиной до 4000 м величина воздушного промежутка должна составлять 100 200 м.

г) В качестве источника тепловой энергии применяют пороховой заряд из баллистита или смесевого твердого ракетного топлива с массой не менее 7 кг.

д) В качестве ГОС применяют водные растворы нитрата аммония и водорастворимых горючих органического происхождения.

В целом, последовательность перечисленных операций позволяет существенно увеличить продолжительность эффективной части импульса давления по сравнению с импульсами, создаваемыми пороховыми генераторами давления различных типов, а также при применении взрывчатых веществ.

Сопоставительный анализ признаков предложенного решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими новыми признаками: размещение ГОС в скважине осуществляют путем спуска к забою скважины НКТ, закачки в спущенные НКТ расчетного количества ГОС, продавку ГОС в зону обработки и последующего поднятия НКТ на безопасное расстояние от места размещения ГОС, при этом в качестве источника тепловой энергии используют источник с энерговыделением, определяемым по предложенному соотношению, а размещение источника подчиняется ограничению по глубине установки в ГОС.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с прототипом и другими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные" отличия.

Рассмотрим применение предлагаемой технологии на примере обработки одной скважины.

В низкодебитной скважине глубиной 2200 м необходимо было обработать пласт, находящийся в интервале 2080-2100 м. Плотность перфорации 30 отв/м, внутренние диаметры скважины и НКТ равны соответственно 126 мм и 50 мм. Плотность ГОС 1300 кг/м³. Температура в зоне воспламенения t₀ 40^oC, температура разложения наиболее термостойкого компонента ГОС t_p=340^oC. В качестве продавочной жидкости здесь была взята скважинная жидкость, а в качестве источника тепловой энергии для поджига ГОС был применен баллиститный пороховой заряд с теплотворной способностью 4,2 МДж /кг. Минимальная энергоемкость источника тепловой энергии, определенная по соотношению: E k•( T_p-T_o), находится в пределах от 30 МДж до 37,5 МДж, а минимальная масса порохового заряда от 30/4,2 приблизительно 7,1 кг до 37,5/4,2 приблизительно 9 кг. Для поджига ГОС был выбран пороховой заряд массой 10 кг.

1. На расстоянии 100 м от дна скважины устанавливали ограничительный экран в виде искусственного забоя из песка.

2. НКТ спускали к ограничительному экрану на расстояние 1 м от него.

3. На устье скважины с помощью компрессора создавали избыточное давление 5 МПа и с помощью продавочной жидкости в количестве 4639 кг закачивали ГОС в количестве 486 кг в интервал обработки.

4. НКТ полностью удаляли из скважины, так как для поджига ГОС применяли пороховой генератор давления, диаметр заряда которого больше внутреннего диаметра НКТ.

5. Спускали в скважину на кабеле и размещали в ГОС на глубине 15 м от его верхнего уровня пороховой генератор давления ПГД.БК100 М с зарядом массой около 10 кг.

6. Подали сигнал на срабатывание порохового генератора.

Импульс давления в скважине, полученный с помощью регистрирующей аппаратуры, показан на фиг.4. Продолжительность эффективного импульса давления составила около 5 с. при общей продолжительности воздействия около 40 с, колебания давления достигают ±5.7 МПа. После обработки производительность скважины выросла в 3 раза.

Источники информации
1. Методы интенсификации притоков в нефтяных и газовых скважинах с использованием энергии взрыва и горения взрывчатых материалов. /А.М.Дуванов, И. Н.Гайворонский, А.А.Михайлов, В.П.Челышев, Б.В.Шкиткин.-М.1990. (Региональная и морская геофизика; геофиз.методы поисков и разведки м-ных полезных ископаемых: Обзор /ВИЭМС).

2. Желтов Ю.П. Деформации горных пород. М. Недра, 1966.

3. Патент США, N 3718088, кл.E 21 B 43/26, 1973.

4. Патент США, N 3674093, кл.E 21 B 43/26, 1972-5л.

5. Прострелочно-взрывные и импульсные виды работ в скважинах. /Сборник научных трудов. М.ВНИПИвзрывгеофизика, 1989, 198 с.

Использование: в нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для разрыва и обработки нефтегазоносных пластов высокотемпературными газами. Обеспечивает увеличение результативности обработки пласта за счет увеличения времени эффективной части импульса давления при сжигании горюче-окислительного состава(ГОС). Сущность изобретения: по способу в скважине размещают источник тепловой энергии. Подают управляющий сигнал на включение источника тепловой энергии. Затем поджигают ГОС. При этом размещение ГОС в скважине осуществляют путем спуска к забою скважины насосно-компрессорных труб(НКТ). В НКТ закачивают расчетное количество ГОС. Продавливают ГОС в зону обработки. Поднимают НКТ на безопасное расстояние от ГОС. Установку источника тепловой энергии осуществляют на глубине 10-50 м от верхней границы ГОС. В качестве источника тепловой энергии используют источник с энерговыделением(Е, МДЖ), минимальное значение которого определяют из выражения: Е=К (Т_p-Т_o), где К приблизительно 0,1-0,125 МДЖ/К; Т_p - температура начала интенсивного разложения наиболее термостойкого компонента ГОС, К; Т_o - начальная температура ГОС в зоне воспламенения, К. 5 з. п. ф-лы. 4 ил.

1. Способ обработки пласта жидким горюче-окислительным составом (ГОС), содержащий размещение в скважине ГОС, установку в нем источника тепловой энергии для поджига ГОС путем его спуска в скважину, подачу управляющего сигнала на включение источника тепловой энергии и поджига ГОС за счет выделения тепла в источнике тепловой энергии, отличающийся тем, что размещение ГОС в скважине осуществляют путем спуска к забою скважины насосно-компрессорных труб (НКТ), закачки в спущенные НКТ расчетного количества ГОС, продавку ГОС в зону обработки и последующего поднятия НКТ на безопасное расстояние от места размещения ГОС, а установку источника тепловой энергии осуществляют на глубине 10 50 м от верхней границы ГОС, при этом в качестве источника тепловой энергии используют источник с энерговыделением (Е, МДж), минимальное значение которого определяют из выражения Е к•(Т_р-Т_о), где к равно примерно 0,1 0,125 МДж/К; T_р температура начала интенсивного разложения наиболее термостойкого компонента ГОС, К; Т_о начальная температура ГОС в зоне воспламенения, К. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при большом времени нахождения ГОС в скважине до его поджига применяют разделительную жидкость, причем плотность ее должна быть не выше плотности ГОС и не ниже плотности скважинной жидкости. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при большом удалении зоны обработки от забоя скважины устанавливают ограничительный экран у нижней границы размещения ГОС, а НКТ спускают для закачки ГОС к ограничительному экрану. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для предотвращения гидроудара по устьевому оборудованию часть скважинной жидкости удаляют из скважины перед поджигом ГОС. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника тепловой энергии применяют пороховой заряд из баллистита или смесевого твердого топлива массой не менее 7 кг. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ГОС применяют водные растворы нитрата аммония и водорастворимых горючих органического происхождения.