СПОСОБ РАЗРАБОТКИ И УВЕЛИЧЕНИЯ СТЕПЕНИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НЕФТИ, ГАЗА И ДРУГИХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ИЗ ЗЕМНЫХ НЕДР Российский патент 1998 года по МПК E21B43/24 

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно, к способам разработки и увеличения степени извлечения полезных ископаемых из земных недр и, в первую очередь, нефти и газа.

Известен способ электрогидравлической разработки скважин и устройство для его осуществления, согласно которому размещают в скважине коаксиальные электроды в потоке движущейся жидкой среды и подают на электроды электрические импульсы, при этом разряд на коаксиальных электродах сопровождают дополнительным разрядом, который осуществляют по отношению к основному разряду с пространственным сдвигом фаз, близким к полупериоду. На возникающую при этом электрическую дугу воздействуют дополнительно вращающимся магнитным полем, концентрируя электрическое поле разряда, что также способствует развитию разрушающей кумулятивной струи [1] Такая последовательность действий позволяет создать высокоэнергетическую кумулятивную струю, фокусирующую в себе энергию двух разрядов и разрушающую породу или преграду.

Недостатком способа является то, что он имеет очень узкую и сконцентрированную область воздействия и предназначен только для создания разрушающей кумулятивной струи, воздействующей на очень маленькую поверхность разрушаемой породы. Способ не может быть использован для увеличения степени извлечения полезных ископаемых на значительных площадях месторождений.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ разработки увеличения степени извлечения нефти или других полезных ископаемых из земных недр, включающий бурение на месторождении скважин, размещение в них электродов и подачу к электродам переменного тока [2]
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности разработки нефтегазовых месторождений за счет значительного увеличения степени извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из пластов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что скважины на месторождении герметизируют пакерами на уровне кровли пластов, предварительно размещают в скважинах электроды, причем в качестве отдельных электродов могут быть использованы и обсадные трубы скважин или другие металлические конструкции скважин (буровой став, став стальных труб и другие). Электроды размещают в водоносном слое почвы пласта или в любом другом слое или прослойке в пласте, обладающем наилучшей электропроводностью. Затем подают одновременно на электроды в две соседние скважины, пробуренные до почвы пласта месторождения, электрический ток высокого напряжения и зажигают электрическую дугу посредством предварительного разогрева электропроводного слоя пласта или предварительного пробоя промежутков между электродами по пласту, или подают ток только на электроды одной скважины, если необходимо увеличить степень извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых только из указанной скважины, и зажигают электрическую дугу путем разведения контактов между электродами в скважине, либо расплавлением плавкой вставки между ними.

Кроме того, после зажигания электрической дуги в первых двух соседних скважинах напряжение зажигания электрической дуги подают на электроды, расположенные в других соседних скважинах месторождения, и, таким образом, зажигают электрические дуги между соседними скважинами на различных участках месторождения. Затем электрические дуги перемещают в пространстве пластов в необходимом порядке и последовательности, для чего подают напряжение зажигания дуг на электроды новых соседних скважин месторождения и отключают напряжение между теми скважинами, на которых электрические дуги уже горели. Последовательность подключения новых скважин к процессу горения электрических дуг в пластах определяют либо исходя из возможности равномерной обработки ими всей площади пластов на данном месторождении, либо в случаях сложных геологических условий залегания пластов месторождения будет иметь место необходимый в данных условиях порядок и последовательность зажигания электрических дуг, предполагающий максимальный эффект обработки ими пластов.

Время внутрипластового горения электрических дуг на различных месторождениях будет различным в зависимости от физико-механических, электрических характеристик пластов, состава и вида полезного ископаемого, напряженно-деформированного состояния самих пластов и вмещающих их горных пород, геологических условий залегания пластов и ряда других факторов. В каждом конкретном случае время горения электрических дуг между соседними скважинами в пластах месторождений устанавливают экспериментальным путем с одновременными замерами внутрипластового давления и температуры, а также путем лабораторного и математического моделирования данного процесса в заданных условиях для достижения максимального эффекта и увеличения степени извлечения полезных ископаемых из пластов. В необходимых случаях возможна многократная обработка пластов электрическими дугами через необходимые временные интервалы после интенсивной добычи полезных ископаемых из пластов, например, чтобы поддержать заданные или необходимые давления и температуры нефти и газа в пластах для наиболее полной их откачки из месторождения. Это особенно актуально в случае добычи из пластов вязкой нефти или при откачке газа из влагонасыщенных скважин с низким пластовым давлением, так как газовые скважины в таких случаях могут самозадавливаться водой поступающей из пластов вместе с газом.

На фиг. 1 изображен разрез массива горных пород, схема расположения пакеров и электродов в скважинах и процесс зажигания электрической дуги только в одной скважине только в скважине А или только в скважине Б, а также между двумя соседними скважинами А и Б.

На фиг. 2 приведена схема перемещения и разворота электрических дуг в пространстве пласта на месторождении полезных ископаемых при определенной последовательности подключения новых скважин и отключения предыдущих скважин, между которыми пласт уже обработан электрическими дугами, где электроды скважин 1 уже отключены от источников подачи тока высокого напряжения, электроды скважин 2 подключены к источникам или сети тока высокого напряжения и между ними горят электрические дуги во внутрипластовом пространстве, а силовыми линиями показано распространение электрического поля. Скважины 3 подготовлены для зажигания в них электрических дуг и перемещения их во внутрипластовом пространстве в направлении, указанном стрелками. В сложных геологических условиях залегания пластов задают необходимый порядок и последовательность обработки пластов месторождений электрическими дугами.

На нефтегазовом месторождении пласт в подавляющем большинстве случаев имеет сложное слоистое строение (см. фиг. 1) и состоит из газоносного слоя 1, нефтеносного слоя 2, водоносного слоя 3 в почве пласта, одного или нескольких пропластков 4, расположенных в различных слоях пласта и, чаще всего, имеющих более высокую электропроводность, чем сам пласт. На фиг. 1 цифрой 5 обозначены пакеры, которыми скважина надежно герметизируется, чтобы перекрыть доступ кислорода воздуха в пласт в процессе горения электрических дуг. Кроме этого, пакеры служат для гашения в скважине электрогидравлического удара, возникающего при разжигании дуги в каждой отдельной скважине. Пакеры извлекаются из скважин после окончания обработки пласта электрическими дугами между соседними скважинами, а до этого служат еще и заглушками для нефти и газа, давление и температура которых после обработки пластов электрическими дугами резко возрастает.

Обсадные трубы 6 в отдельных случаях могут быть использованы в качестве одного из электродов, что имеет место на скважине А. Электрический ток может также подводиться к электропроводному слою в пласте по ставу из металлических труб, буровому ставу или другому электропроводному оборудованию скважин.

На фиг. 1 позицией 8 обозначена электрическая дуга в скважине А между электродом и обсадной трубой в качестве второго электрода при ее зажигании только в одной скважине А, 9 электрическая дуга в пределах пласта между двумя соседними скважинами А и Б, 10 электрическая дуга между двумя электродами 7 только в одной скважине Б при использовании плавкой вставки, соединяющей электроды 7 для зажигания дуги, 11 соединительные высоковольтные кабели, передающие ток высокого напряжения на электроды 7 от передвижных индукционных емкостей или мощных конденсаторов, или источников импульсного напряжения 12 для накопления электрической энергии на поверхности и размещенных на шасси автотягачей. В свою очередь, передвижные емкости и источники импульсного напряжения соединены с постоянной линией электропередач 13 для постоянного накопления энергии и поддержания процесса горения электрических дуг в пласте. Для зажигания и поддержания электрических дуг в пласте используют таксе источники переменного тока промышленной частоты. 14 - став металлических труб для установки пакеров 5 в скважинах А и Б.

Предлагаемый способ разработки и увеличения степени извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из земных недр применяют следующим образом.

На любых месторождениях могут иметь место два варианта ситуаций. Первая ситуация когда на новом месторождении после бурения серии разведочных скважин на пласт становится известно, что давление нефти или газа в пласте невысокое или имеют место вязкие нефти, требующие разогрева, или же имеют место высокие напряжения в связи с большой глубиной залегания пласта, которые приводят к быстрому смыканию трещин и пор в околоскважинном пространстве и снижению дебита скважин, а также в других случаях, то предлагаемый способ используют перед началом эксплуатации нового месторождения. Причем на ряде участков, где пласт уже обработан электрическими дугами, может начинаться промышленная добыча, а на остальных участках пласта обработка может продолжаться по море бурения новых скважин на пласт параллельно с уже работающими по добыче нефти или газа скважинами.

Вторая ситуация на старом месторождении значительно упал дебит существующих и интенсивно эксплуатируемых в прошлом скважин, но известно, что запасы нефти и газа еще значительные и необходимо увеличить внутрипластовое давление и температуру для извлечения из недр оставшихся запасов.

В обеих ситуациях скважины, пробуренные до почвы пласта герметизируют пакерами 5 на уровне кровли пласта и предварительно размещают в них электроды 7. Если надо зажечь электрическую дугу только в одной скважине Б, то электроды 7 соединяют между собой плавкой вставкой, рассчитанной на определенную величину тока, а затем на них подают ток высокого напряжения и при расплавлении вставки между электродами зажигается дуга. Если надо зажечь электрическую дугу между двумя соседними скважинами месторождения электроды 7 размещают в слое пласта, обладающего наилучшей электропроводностью и обеспечивают надежный контакт с этим слоем. В подавляющем большинстве случаев этим слоем является водоносный слой, залегающий в почве пласта. В таком случае электроды 7 размещают в воде, заполняющей скважину в смеси с нефтью и газом в пространстве до нижнего торца пакера. Нефть, как более легкий компонент смеси, оказывается вверху столба жидкости, а вода внизу. В отдельных случаях в качестве одного из электродов могут быть использованы обсадные трубы 6 скважин или другое их металлическое оборудование.

При подаче тока высокого напряжения на электроды 7 через соединительные высоковольтные кабели 11 от передвижных источников импульсного напряжения и мощных емкостей 12, в случае зажигания электрической дуги только в одной скважине Б, происходит расплавление вставки, соединяющей электроды 7 и между ними в скважине Б возникает электрическая дуга 10. В случае, тогда одним из электродов являются обсадные трубы 6 скважины, после подачи тока высокого напряжения электрод 7 отводят от обсадных труб 6 и разрывают контакты между ними, в результате чего тоже возникает электрическая дуга 8 в скважине А. При зажигании электрической дуги между двумя соседними скважинами месторождения повышают напряжение на электродах 7 соседних скважин до такой степени, что происходит дробей пласта по слою с максимальной электропроводностью (водоносному слою) или предварительно разогревают наиболее электропроводный слой пласта и при поддержании необходимого напряжения тоже зажигается электрическая дуга 9 между скважинами А и Б с температурой плазмы в ней до десятков тысяч градусов по Цельсию в зависимости от величины номинальных токов. Скорость нарастания напряжения и максимальное его значение зависят от параметров электрической цепи. Чем больше расстояние между электродами отдельных скважин, тем больше будет максимальное значение восстанавливающего дугу напряжения. С увеличением давления температура плазмы повышается.

При токах до 10000 А дуга горит в рассеянном виде, а при больших точках
в сжатом виде. Электрическая дуга является одним из видов разряда в газах или парах, который характеризуется большой плотностью тока, небольшим падением напряжения в стволе дуги и высокой температурой. В связи с тем, что любая электрическая цепь обладает индуктивностью и емкостью, то путем включения в данную цепь дополнительных огромных индуктивностей и емкостей на поверхности добиваются запаса значительной электромагнитной энергии, которая при размыкании цепи переменного тока освобождается и переходит в тепловую энергию, часть ее переходит в другие виды энергии, а возникшая электрическая дуга и окружающая ее среда являются энергопоглотителями. Поэтому в окружающей дугу среде происходит испарение жидкой и твердой составляющих пласта и вмещающих пород за сравнительно небольшие промежутки времени при очень высокой температуре. Все это приводит к значительному повышению внутрипластового давления и еще большему возрастанию температуры плазмы в горящей дуге, поэтому в пласте горят дуги очень высокого давления и температур, которые перемещаются во внутрипластовом пространстве в заданном порядке и последовательности, обрабатывая его на всей или заданной части площади месторождения, что приводит к резкому изменению напряженно-деформированного и температурного состояния пласта полезного ископаемого и вмещающих его пород. Изменяется система трещин и пор, появляются пустоты и свободные пространства в пласте за счет испарения твердых и жидких фаз, что после гашения дуг приведет к еще одному перераспределению напряжений от горного давления и это тоже положительно скажется на увеличении притока нефти и газа в скважины. Вязкость нефти в значительной степени будет снижена, выжжены смоляные и парафиновые составляющие нефти в порах и трещинах.

Обработка нефтегазоносного пласта электрическими дугами в пределах месторождения может быть приравнена о точки зрения снижения горного давления к подземной отработке защитного пласта на угольных месторождениях, когда с рядом расположенного пласта снимаются напряжения от горного давления и облегчается его дегазация. Но, кроме этого, в предлагаемом способе присутствует еще целый ряд значительных преимуществ.

В итоге, после обработки нефтегазоносного пласта месторождения электрическими дугами резко возрастает степень извлечения из него нефти и газа, что позволяет возродить к промышленной эксплуатации даже давно отработанные месторождения при наличии в них еще не извлеченных запасов нефти и газа и приблизиться, практически, к полному извлечению этих запасов из месторождений как старых, так и новых, так как обработку пластов месторождений электрическими дугами можно осуществлять многократно через необходимые временные интервалы. Таким образом, предложенный способ позволяет получить значительный экономический эффект при его использовании и является экологически чистым способом. Его можно успешно использовать для подземной газификации угольных пластов, что значительно повысит степень извлекаемости угля из земных недр, позволит значительно уменьшить загрязнение окружающей среды вредными отходами горной промышленности (отвалами породы, откачанными подземными водами из скважин и горных выработок с высоким содержанием серы и других вредных примесей, попадающих в водоемы) и улучшить экологию территорий, на которых залегают полезные ископаемые. С помощью этого способа можно также уничтожить подземные захоронения и могильники с отходами вредных радиоактивных и химических веществ, сжигая и испаряя их под землей в плазме электрических дуг без доступа кислорода воздуха, и, препятствуя, тем самым, их распространению подземными водами в другие места. Предлагаемым способом можно добиться выплавления в подземные выработки из рудных жил, тел и линз металлов, например, таких как золото, серебро и других, обладающих очень высокой электропроводностью.

Относится к области горной промышленности и, в первую очередь, к извлечению нефти и газа. Для осуществления способа скважины герметизируют пакерами на уровне кровли пласта и предварительно размещают в них электроды, подают на них переменный ток высокого напряжения, зажигают электрическую дугу либо при расплавлении плавкой вставки между двумя электродами только в одной скважине Б, либо при разведении электродов только в одной скважине А. Электрическую дугу зажигают по наиболее электропроводному слою в пласте между электродами двух соседних скважин А и Б путем предварительного разогрева электропроводного слоя пласта или предварительного пробоя промежутков по тому же слою пласта между электродами двух соседних скважин А и Б на месторождении. Затем электрические дуги перемещают во внутрипластовом пространстве в необходимом порядке и последовательности для чего подают напряжение зажигания на электроды новых соседних скважин месторождения и отключают напряжение на тех скважинах, на которых дуги уже горели. При необходимости внутрипластовую обработку месторождения электрическими дугами осуществляют многократно через необходимые временные интервалы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разработки и увеличения степени извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из земных недр, согласно которому в скважинах, пробуренных на месторождении, размещают электроды и подают к электродам переменный ток, отличающийся тем, что скважины герметизируют пакерами на уровне кровли пластов, зажигают электрические дуги между парами электродов, размещенных в одной скважине или между электродами двух соседних скважин. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрические дуги зажигают посредством расплавления вставки между парами электродов, или разведением контактов электродов, или путем пробоя промежутков между электродами двух соседних скважин при повышении напряжения на них. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрические дуги зажигают между электродами в нескольких скважинах месторождения и перемещают их во внутрипластовом пространстве в необходимом порядке и последовательности. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при необходимости поддержания заданных величин внутрипластового давления нефти, газа и других полезных ископаемых процесс обработки пластов месторождений плазмой электрических дуг повторяют многократно через необходимые временные интервалы.