Изобретение относится к 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 вытеснения нефти постоянным током при напряжении 10 кВ, согласно которому в эксплуатационной скважине, пробуренной на нефтеносный пласт, размещают устройство передачи энергии для последующего воздействия на него, а именно один из электродов находится в эксплуатационной скважине, а второй электрод устанавливают в любой точке нефтеносного пласта и даже за его пределами, но тоже в скважине, если смежный пласт электропроводен. Направление движения тока по пласту определяют эмпирически. Механизм вытеснения нефти по этому способу может быть объяснен явлением электроосмоса. Минеральный скелет пласта играет роль мембраны между электродами противоположных знаков, находящейся в прямом контакте с нефтью. Под действием электрического поля между электродами возникает осмотическое давление, перемещающее нефть с одного края этой "мембраны" на другой (патент Франции 1268588, кл. E 21 B, 1961).
Недостатками способа является то, что он требует очень больших расходов электроэнергии и имеет низкую эффективность, особенно при использовании для увеличения степени извлечения нефти на значительных площадях месторождений и при высоком электросопротивлении пластов и вмещающих их горных пород.
Наиболее близким аналогом изобретения является способ увеличения степени извлечения нефти или других ископаемых жидкостей из нефтяных пластов в земле или на море (SU, патент РФ 1838594 А3, кл. E 21 B 43/24, 43/25, 1993, Бюл. N 32), принятый за прототип. В качестве устройства передачи энергии для последующего воздействия на нефтяной пласт используются электроды в двух соседних скважинах и ртуть, которой скважины предварительно заполняются до уровня залегания нефтяного пласта. Затем в нефтяном пласте создаются вибрации с помощью вибраторов с частотой, наиболее близкой к резонансной частоте пласта. Для этого производят вибрирование ртути с помощью вставленных в нее вибраторов и одновременно осуществляют электрическую стимуляцию процесса вибрации посредством приложения переменного электрического напряжения к электродам, расположенным в соседних скважинах. Резонансные вибрации в указанном месторождении будут распространяться наружу и выталкивать нефть из месторождения. Энергия вибраций будет также создавать тепло в месторождении в виде тепла трения между месторождением и находящейся в нем нефтью и это будет создавать увеличенное давление за счет испарения некоторой части нефти и воды.
К недостаткам данного способа можно отнести следующее:
необходимы большие площади соприкосновения вибраторов со стенками скважин и очень большие затраты энергии, чтобы провибрировать месторождение от пласта и до земной поверхности, что потребует очень больших финансовых затрат;
использование ртути в качестве жидких электродов очень опасно из-за ядовитых испарений и экологического загрязнения окружающей среды;
эффективность увеличения степени извлечения нефти из месторождения данным способом будет незначительной.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности и экономичности 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 любом удобном для этого уровне, предварительно размещают в этих скважинах устройства для передачи энергии с поверхности - оптоволоконные кабели, концевые части которых оснащены рабочими головками, излучающими энергию в призабойные зоны вертикальных скважин или во внутрипластовое пространство при наличии наклонных и горизонтальных скважин, подключают к оптоволокнам /световодам/ оптоволоконных кабелей на поверхности мощные лазеры - оптические квантовые генераторы излучения и создают в пластах области с заданной высокой температурой и высоким внутрипластовым давлением для увеличения степени извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из пластов месторождений. При этом на заданных участках скважин вскрывают продуктивные пласты путем разрезки или перфорирования материала обсадных колонн скважин мощным лазерным излучением с дальнейшим испарением жидких и твердых фаз, входящих в состав пластов и вмещающих их горных пород.
Кроме того, оптоволоконные кабели размещают в нескольких скважинах месторождений одновременно, создают в пластах необходимое количество областей с заданной высокой температурой и высоким давлением и перемещают эти области во внутрипластовых пространствах путем перемещения излучающих концевых частей оптоволоконных кабелей с рабочими головками по скважинам. Причем при необходимости поддержания заданных величин температур и внутрипластового давления нефти, газа и других полезных ископаемых процесс обработки пластов месторождений мощным лазерным излучением повторяют многократно через необходимые временные интервалы в необходимом порядке и последовательности. В свою очередь, необходимую последовательность определяют либо исходя из возможности равномерной обработки мощным лазерным излучением всей площади пластов на данном месторождении, либо в случаях сложных геологических условий залегания пластов месторождений будут иметь место необходимый в данных условиях порядок и последовательность обработки пластов, предполагающий максимальный эффект воздействия на пласты при минимальных затратах средств.
В процессе обработки продуктивных пластов месторождений мощным лазерным излучением через оптоволоконные кабели одновременно по специальному оптоволокну (световоду) осуществляют бесконтактный и дистанционный контроль создаваемых в пластах значений высоких температур, давлений, размеров и форм образованных в пластах полостей, смыкание участков пластов, обработанных лазерным излучением из соседний скважин, получают информацию о составе испаряемых веществ пластов и вмещающих их горных пород.
Время, затраченное на обработку пластов, на различных месторождениях будет различным в зависимости от физико-механических, химических характеристик нефтегазовых пластов, состава и вида полезного ископаемого, напряженно-деформированного состояния самих пластов, их обводненности и ряда других факторов. В каждом конкретном случае схема расположения скважин, их вид (вертикальные, наклонные и горизонтальные) и количество, время обработки пластов месторождений, размеры обработанных площадей пластов устанавливают экспериментальным путем с одновременным получением данных контроля за происходящими процессами в пластах, а также путем предварительного лабораторного и математического моделирования данных процессов в заданных условиях для достижения максимального эффекта увеличения степени извлечения полезных ископаемых из пластов. Возможно также построение виртуальных моделей с использованием мощных ЭВМ.
В необходимых случаях, особенно после интенсивной добычи полезных ископаемых из пластов, чтобы поддержать заданные давления и температуру нефти и газа в пластах для наиболее полной их добычи из месторождений, возможна многократная обработка пластов путем повторного размещения оптоволоконных кабелей в скважинах и последующего перемещения их излучающих концевых частей с рабочими головками, но уже развернутыми для излучения в другой плоскости относительно ранее выбранного направления обработки пластов, например для испарения водоносного слоя в нефтегазоносных пластах, что тоже позволит резко поднять давление в пластах. Возможна также одновременная обработка нефтегазоносных пластов мощным лазерным излучением из скважин в нескольких взаимно смещенных секторах при оптическом излучении в каждом секторе, расходящемся из излучателей под углом до 40o, что позволяет осуществлять рабочие головки концевых частей оптоволоконных кабелей. Рабочие головки защищены специальными защитными фильтрами, предохраняющими излучатели от загрязнения испаряемыми веществами, и выполнены таким образом, что излучение выходит из них в любом необходимом направлении в зависимости от подключения к лазеру того или иного оптоволокна (световода) в оптоволоконных кабелях. Для перемещения по обсадным колоннам скважин головки снабжены колесами и направляющими лыжами.
Многократная обработка пластов особенно актуальна в случаях добычи из месторождений вязкой нефти или при откачке газа из влагонасыщенных скважин с низким пластовым природным давлением, когда газовые скважины могут самозадавливаться водой, поступающей из пластов вместе с газом. Многократная обработка также необходима в призабойной зоне скважин, особенно вертикальных, где с течением времени происходит закупорка трещин и пор парафинами и смолами, содержащимися в нефти. Кроме того, на закрытие трещин и пор сильно влияет также процесс перераспределения напряжений в околоскважнной области пластов. Обработка призабойной зоны скважин мощным лазерным излучением позволяет испарить парафины, смолы и часть вещества пластов, образовать новую дополнительную поверхность и расширить полости около скважин с одновременным повышением температуры и давления, что приводит к перераспределению напряжений. Все это в результате вызывает дополнительный приток нефти и газа в скважины, значительно повышается степень их извлечения из пластов.
На фиг.1,2 изображен разрез и план массива горных пород, схема размещения оптоволоконных кабелей с рабочими головками для лазерного излучения в вертикальных скважинах ряда 1 и в наклонно-горизонтальных скважинах ряда 11, показаны возможные направления перемещения рабочих головок оптоволоконных кабелей по скважинам и возможные полости, образованные лазерным излучением в вертикальной и горизонтальной плоскостях нефтегазового пласта.
На поверхности разрабатываемого месторождения нефти и газа устанавливают необходимое количество мощных лазеров - оптических квантовых генераторов излучения 1 (см. фиг. 1), которые запитываются от электрической сети и на выходе подключаются к оптоволоконным кабелям. Свет от лазеров, направляемый в оптоволокна (световоды) оптоволоконных кабелей, распространяется в них за счет многократного отражения, практически без потерь. Оптоволокна (световоды) покрыты оболочкой из слоев полимера, который защищает их от механических повреждений. Для данных условий применяют многожильные кабели для подземного залегания. Эти особо стойкие и прочные кабели для использования в экстремальных условиях имеют дополнительные защитные оболочки и стальную броню, а внутренняя конструкция кабелей заполняется гелем, предохраняющим от проникновения воздуха и воды внутрь кабелей. Оптоволокна как бы плавают в незамерзающем геле и могут выдерживать температуры ниже минус 40oC. В качестве элемента прочности используются стальные тросы, которые вместе с оптическими кабелями находятся в одной оболочке. В многожильных кабелях далеко не все оптоволокна (световоды) используются сразу. Некоторые свободные остаются развернутыми на случай неисправностей или для будущих применений, что немаловажно в экстремальных условиях их работы в скважинах. Все лучи достигают концов кабелей практически одновременно. Существующие оптоволоконные кабели имеют полосу пропускания в несколько гигагерц и позволяют передавать излучения лазеров на расстоянии в десятки километров. Они выпускаются в катушках длиной в основном до 2 км, но могут выпускаться производителями и произвольной длины по заказу. В случае необходимости, оптоволоконные кабели наращиваются с помощью сплайсов, т.е. специальных соединительных муфт, обеспечивающих незначительные потери в соединениях. Производители указывают максимальные нагрузки, которые можно приложить к оптоволоконным кабелям - это нагрузки при установке кабелей и рабочие, измеряемые в ньютонах. Кабели обладают достаточной гибкостью и возможностями изгиба с небольшим радиусом. Катушки с оптоволоконными кабелями устанавливают на лебедках 2 с системой направляющих шкивов 3 для подачи кабелей в скважины, пробуренные на нефтегазовый пласт месторождения и оборудованные обсадными колоннами 5. Концы оптоволоконных кабелей снабжены рабочими головками 6, которые опускают до заданной глубины или размещают на заданных расстояниях в скважинах, пробуренных на пласт. На нефтегазовом месторождении пласт в подавляющем большинстве случаев имеет сложное строение и состоит из верхних глинистых слоев 7 и нижних 11, являющихся своеобразными изоляторами и водоупорами, газоносного слоя 8, иногда называемого газовой шапкой месторождения, нефтеносного слоя 9, водоносного слоя 10 в почве пласта. Могут также иметь место различные дополнительные слои и прослои в пласте (на схеме не показаны). Подстилающие пласт слои горных пород 14 могут быть как осадочного, так и магматического происхождения.
Скважины надежно герметизируются пакерами 15 на любом удобном уровне над пластом для того, чтобы перекрыть доступ кислорода воздуха в пласт и избежать возможных неприятных последствий (например, взрывов) при смешивании с газом пласта и поднятии температуры в пласте до очень высоких значений, даже до температур плазмы в десяти тысяч градусов. Пакеры 15 извлекаются из скважины после окончания обработки пласта, а до этого служат еще и заглушками для нефти и газа, давление и температура которых после обработки лазерным излучением резко возрастают.
На заданных участках нефтегазоносного пласта лазерным излучением из рабочих головок 6 на концах оптовлоконных кабелей в материале обсадных колонн 5 прорезаются окна или отверстия перфорации 13 в вертикальных, горизонтальных и других наклонных плоскостях. Таким образом происходит вскрытие пласта на нескольких заданных участках в процессе перемещения рабочих головок 6 по скважинам в заданных направлениях, указанных на схеме стрелками. Через окна и отверстия перфорации 13 в обсадных колоннах скважин мощное лазерное излучение передают в нефтегазоносный пласт и окружающие его породы. В результате такого воздействия лазерного излучения резко возрастает температура пласта, пород и происходит испарения их твердых и жидких фаз, что в свою очередь приводит к образованию полостей и пустот 16 в вертикальных, горизонтальных и других наклонных плоскостях в пласте и окружающих его горных породах. Следствием такой обработки пласта является также и значительное увеличение давления в нем, что приводит к резкому повышению нефтегазоотдачи из скважин пласта.
Пиковая исходная мощность лазерного излучения может достигнуть огромных величин - сотен и тысяч киловатт и оно способно разрушить и испарить любое окружающее вещество. Ресурс лазеров достаточно большой - достигает 1000 ч непрерывной работы. Отраженное лазерное излучение по специальному оптоволокну /световоду/ передает на поверхность в анализирующую и контрольную аппаратуру (с использованием ЭВМ) информацию о происходящем в пласте процесса: температуре, давлении, размерах и форме образованных в пласте полостей, их смыкании, а также о составе испаряемых веществ пласта и вмещающих его горных пород. Можно получить и другую необходимую информацию, например определить скорость образования полостей и другие параметры.
Предлагаемый способ увеличения степени извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из земных недр, вскрытия и контроля пластов месторождений применяют следующим образом.
На любых месторождениях могут иметь место два вида ситуаций.
Первая ситуация, когда на новом месторождении после бурения серии разведочных скважин на пласт становится известно, что давление нефти или газа в плате 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 подобных случаях. В этом случае предлагаемый способ используют перед началом эксплуатации нового месторождения. Причем на ряде участков, где пласт уже обработан лазерным излучением, может начинаться промышленная добыча, а на остальных участках пласта обработка может продолжаться по мере бурения новых скважин на пласт параллельно с уже работающими по добыче нефти или газа скважинами.
Вторая ситуация - на старом месторождении значительно упал дебит из существующих и интенсивно эксплуатируемых в прошлом скважин, но известно, что запасы нефти и газа еще значительные и необходимо для их полного извлечения увеличить внутрипластовое давление и температуру.
В обеих ситуациях скважины (вертикальные, наклонные или горизонтальные), пробуренные на нефтегазоносный пласт месторождения по заранее определенной оптимальной схеме и в определенном сочетании, герметизируют пакерами 15 и предварительно размещают в них оптоволоконные кабели 4 с рабочими головками 6 в их концевых частях (с помощью лебедок 2 и систем направляющих шкивов 3). Подсоединяют кабели к расположенным на поверхности мощным лазерам 1, которые генерируют оптическое квантовое излучение, распространяющееся по оптоволоконным кабелям 4 в заданные участки скважин в пласте. Затем на этих участках пласта лазерным излучателем из рабочих головок 6 в материале обсадных колонн 5 скважин прорезают окна или отверстия перфорации 13 в вертикальных, горизонтальных и других наклонных плоскостях. Таким образом вскрывают пласт на нескольких заданных участках в процессе перемещения рабочих головок 6 кабелей 4 по скважинам с помощью лебедок 2 в заданных направлениях. Через прорезанные окна или отверстия перфорации 13 передают мощное лазерное излучение через рабочие головки 6 в нефтегазоносный пласт и окружающие его горные породы, значительно увеличивают температуру пласта и пород мощным лазерным излучением, вплоть до состояния плазмы с температурой нагрева веществ в несколько тысяч и десятков тысяч градусов Цельсия, испаряют составляющие пласт и породы вещества как в твердых, так и в жидких фазах и тем самым резко увеличивают давление в пласте месторождения, что приводит к значительному повышению нефтегазоотдачи из скважин пласта. При необходимости подобную обработку пласта повторяют многократно через заданные промежутки времени в необходимом порядке и последовательности. Дистанционно и бесконтактно контролируют с помощью отраженного лазерного излучения, передающегося по специально выделенному в кабеле оптоволокну (световоду) на поверхность, происходящий в пласте и породах процесс по изменению величин температур, давлений, определяют размеры и форму образованных в пласте и породах полостей, их смыкание, состав испаряемых веществ пласта и вмещающих его горных пород, скорость образования полостей во времени и другие необходимые параметры.
В результате обработки заданных частей нефтегазоносного пласта месторождения мощным лазерным излучением из скважин происходит резкое изменение температурного и напряженно-деформированного состояния пласта и вмещающих его горных пород. Появляются пустоты и свободные пространства в пласте и породах за счет испарения твердых и жидких фаз составляющих их веществ, изменяется система трещин и пор, что после окончания обработки приведет к еще одному перераспределению напряжений от горного давления и это тоже положительно отражается на увеличении притока нефти и газа в скважины. Вязкость нефти в значительной степени будет снижена при повышении температуры, а смоляные и парафиновые составляющие нефти в порах и трещинах будут выжжены или расплавлены.
В итоге, после обработки нефтегазоносного пласта месторождения мощным лазерным излучением 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 к практически полному извлечению этих запасов из месторождений как старых, так и новых, потому что обработку пластов месторождений можно осуществлять многократно через необходимые временные интервалы.
Таким образом, предложенный способ позволит получить значительный экономический эффект при его использовании и является экологически чистым. 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 (твалами пород, откачанными подземными водами из горных выработок и скважин с высоким содержанием серы и других вредных примесей, попадающих в поверхностные воды) и улучшить экологию территорий, на которых залегают полезные ископаемые.
С помощью этого способа можно также уничтожить подземные захоронения и могильники и отходами вредных радиоактивных и химических веществ, испаряя их под землей в плазме лазерного излучения без доступа кислорода воздуха и препятствуя тем самым их распространению подземными водами в другие места. Предлагаемым способом можно добиться выплавления в подземные выработки металлов из рудных жил, тел и линз, например, таких как золото, серебро, никель и ряда других.
Предлагаемый способ можно с успехом использовать для геологической разведки месторождений полезных ископаемых, так как появляется возможность с его помощью проходить разведочные скважины и получать одновременно с их проходкой дистанционно и бесконтактно информацию о составе и свойствах горных пород, на которые воздействует мощное лазерное излучение, испаряя и анализируя вещество массива горных пород.
Сущность изобретения: способ увеличения степени извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из земных недр, вскрытия и контроля пластов месторождений содержит размещение в пробуренных скважинах устройств для передачи энергии, в качестве которых используют оптоволоконные кабели. Их концевые части с рабочими головками, излучающими световую энергию, размещают в призабойных зонах пластов полезных ископаемых при наличии вертикальных скважин или во внутрипластовых пространствах - при наличии наклонных и горизонтальных скважин. К оптоволокнам (световодам) оптоволоконных кабелей подключают на поверхности мощные лазеры - оптические квантовые генераторы излучения и создают в пластах области с заданной высокой температурой и высоким внутрипластовым давлением для увеличения степени извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из пластов месторождений. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
