СПОСОБ ОСВОЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН ПУТЕМ СВАБИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК E21B43/00 E21B43/25 

Изобретение относится к области нефтегазодобычи, а именно к технике освоения нефтяных и газовых скважин, пробуренных на нефтяных и газовых месторождениях для добычи углеводородного сырья.

Необходимость освоения скважин обусловлена технологией их строительства (бурения), которая заключается в следующем:
разрушение горной породы породоразрушающим инструментом механическим способом;
создание давления, превышающего пластовое, в столбе движущейся промывочной жидкости, обеспечивающей вынос частиц разрушенной породы на поверхность.

При такой технологии строительства скважин естественные флюиды, насыщающие проницаемый пласт, выжимаются (оттесняются) избыточным давление вглубь пласта в его приствольной части, что приводит к загрязнению пласта проникающими в него механическими частицами и химическими соединениями, входящими в буровой раствор.

Известные способы и устройства освоения осаженных и проперфорированных скважин заключаются в понижении в них столба жидкости и создание давления ниже пластового, в результате чего пластовое давление вынуждает флюид перемещаться из пласта через перфорационные каналы в скважину, одновременно очищая призабойную зону пласта.

В настоящее время существует несколько основных способов понижения гидростатического давления в стволе скважины и вызова притока:
промывка скважины и замена бурового раствора на солевые растворы, воду или нефть в результате нескольких операций прокачки скважины жидкостью через НКТ. В случае невключения скважины в работу после указанной операции выполняется следующая операция:
понижение уровня столба жидкости в стволе скважины методом компрессирования - вытеснения высоким давление (5-12 МПа) воздуха, подаваемого в пространство "обсадная колонна - лифтовые трубы". Жидкость из ствола скважины через НКТ вытесняется до расчетного уровня.

Промывка не всегда дает эффект, а компрессование воздухом небезопасно, так как вместе с воздухом из скважины выходят горючие газы, при этом происходит резкое депрессирование скважины.

В целях устранения указанных недостатков был разработан более прогрессивный способ освоения нефтяных и газовых скважин методом свабирования.

Известный способ освоения нефтяных и газовых скважин путем свабирования (поршневания) разработан и предложен в начале века, в 1903-1909 г.г., на Бакинских промыслах. Он включает понижение уровня жидкости и, следовательно, понижение ее давления в зоне проперфорированного фильтра продуктивного пласта-коллектора путем возвратно-поступательного перемещения поршня в скважине.

Известное устройство для освоения нефтяных и газовых скважин путем свабирования содержит поршень, смонтированный на стержне и используемый для изменения давления скважинной жидкости в зоне пласта за счет перемещения поршня в скважине. Свабы работают в режиме поршневания следующим образом: двигаясь вверх к устью, перекрывают 90-100% площади сечения обсадной колонны или НКТ, двигаясь вниз к забою, беспрепятственно пропускают через проходные каналы в элементах свабирующих устройств 50-70% потока жидкости (см., например, журнал "Нефтяное хозяйство" N5, М., Недра, 1995, с.15-20). Описанный способ и устройство приняты в качестве прототипа.

Недостатками известных способа и устройства являются недостаточно эффективное статическое воздействие на пласт, длительность операции, необходимость специальной подготовки НКТ (зачистка, калибрование).

Техническим результатом изобретения является обеспечение динамического возбуждения дренированного пласта путем создания знакопеременных гидродинамических нагрузок непосредственно в интервале проперфорированного продуктивного пласта-коллектора.

Необходимый технический результат достигается тем, что по способу освоения нефтяных и газовых скважин путем свабирования, включающему понижение уровня жидкости и понижение ее давления в зоне перфорированного фильтра продуктивного пласта коллектора путем возвратно-поступательного перемещения поршня в скважине силовым агрегатом, установленным на устье, поршень выполняют ступенчатым с различным диаметром по длине, подвешивают его на стальном канате или кабеле, или колонне труб, спущенной в скважину непосредственно в интервале перфорированного фильтра, а при перемещении поршня между его элементами различного диаметра и перфорированным фильтром обеспечивают пульсацию жидкости с понижением и повышением ее давления.

Кроме того, ступенчатый поршень выполняют в виде отдельных элементов, соединенных стержнями, при этом длина ступенчатого поршня 500-10000 мм, длина отдельных элементов и стержней 50-3000 мм, а соотношение их диаметров (1,5-5):1;
разницу в диаметрах ступенчатого поршня в обсадной колонне выбирают в пределах от 2 до 15 мм;
величину частоты, амплитуды и абсолютного значения давления пульсации жидкости в зоне перфорированного фильтра регулируют скоростью перемещения поршня, диаметром и длиной его элементов и стержней;
частоту пульсации давления жидкости выбирают равной или кратной частоте собственных колебаний нефтегазоносного пласта в пределах 4-12 Гц;
перемещение поршня выполняют в химически или поверхностно-активных веществах;
поршень устанавливают на колонну насосно-компрессорных труб и перед освоением опускают в зумпф ниже фильтра, после чего одновременно с освоением выполняют промывку скважин.

В устройстве для освоения нефтяных и газовых скважин путем свабирования, содержащем корпус, смонтированный на стержне, поршень выполнен ступенчатым в виде отдельных элементов с различным диаметром, соединенных стержнями, и стержня-хвостовика, причем отдельные элементы поршня, стержни и стержень-хвостовик выполнены с внутренними полостями, разделенными по длине пробками и отверстиями для сообщения со скважинным пространством.

Кроме того:
диаметр стержней выполнен в 1,5-5 раз меньше максимального диаметра отдельного элемента поршня; отдельные элементы поршня и стержня имеют длину в пределах 50-3000 мм;
устройство имеет длину в пределах 500-10000 мм;
во внутренних полостях отдельных элементов поршня, стержней и стержня-хвостовика установлены манометры для сообщения с внешней средой через отверстия и измерения статического и динамического давлений при возвратно-поступательных перемещениях поршня в скважине;
внешний элемент поршня выполнен раскрывающимся при перемещении поршня вверх с перекрытием сечения скважины до 75-98%.

Достижение положительного эффекта в предложенных способе и устройстве достигаются за счет следующего. При перемещении ступенчатого поршня в зазорах между отдельными элементами поршневой конструкции различного диаметра и обсадной трубой образуются перетоки жидкости с разной скоростью и давлением. Перфорированный фильтр воспринимает это пульсирующее (вибрационное) воздействие и передает его на пласт. Это воздействие особенно велико при равенстве или кратности частот вследствие резонансных явлений. Сильное вибрационное воздействие на пласт обеспечивает быстрое и эффективное освоение скважин с мощным притоком нефти. Улучшению освоения скважин способствуют химдобавки и конструктивные особенности элементов устройства.

На прилагаемом чертеже представлено устройство для освоения нефтяных и газовых скважин путем свабирования, позволяющее осуществить предложенный способ, где позициями обозначено следующее:
1 - отдельные элементы поршневой конструкции;
2 - стержни;
3 - стержень-хвостовик;
4 - внутренние полости отдельных элементов поршневой конструкции;
5 - внутренние полости стержней;
6 - внутренняя полость стенки-хвостовика;
7 - манометры;
8 - отверстия в отдельных элементах поршневой конструкции;
9 - отверстия в стержнях;
10 - отверстия в хвостовике;
11 - пробки для разделения полостей;
12 - приборная головка для подсоединения к кабелю или трубам.

Предложенное устройство, позволяющее осуществить предложенный способ, работает следующим образом. Отдельные элементы поршневой конструкции 1, соединенные стержнями 2, подвешивают за головку 12 на стальном канате (кабеле) или на колонне труб, спущенной в скважину, в интервале проперфорированного продуктивного пласта-коллектора и перемещают возвратно-поступательным силовым агрегатом, установленным на устье скважины, обеспечивая пульсацию давления жидкости. При таком перемещении в зазорах между обсадной колонной и отдельными элементами поршневой конструкции появляется зона повышенного динамического давления с большой скоростью потока жидкости. На остальных участках, напротив, развивается пониженное давление. Тем самым в зоне пласта создаются условия для развития значительных знакопеременных гидродинамических нагрузок, что способствует быстрой очистке техногенно засоренной прискважинной зоны продуктивного пласта. Во внутренних полостях отдельных элементов поршневой конструкции 4, стержней 5 и стержня-хвостовика 6 устанавливают манометры, которые, сообщаясь с внешней средой через отверстия 8, 9, 10, фиксируют показания давлений в стволе скважины. При движении поршневой конструкции вниз, когда поток жидкости ускоренно движется вверх, происходит дренирование пласта по принципу пульверизатора. При движении поршневой конструкции вверх нижний элемент поршневой конструкции раскрывается, перекрывает сечение ствола скважины на 75-98% и тем самым создает условие для развития стандартного свабирования столба жидкости из скважины, резко понижая давление в призабойной зоне пласта. Даже при незначительном отборе жидкости (20-50 л) будут развиваться условия вызова притока жидкости из пласта.

Кроме того, способ позволяет выполнять промывку скважины и обработку пласта химически активными жидкостями за одну операцию спуска НКТ при наличии зумпфа в 3-5 м для спуска поршневой конструкции ниже подошвы проперфорированного фильтра.

Способ требует дополнительного оборудования и оснастки (лубрикатора, троса, геофизического подъемника с кабелем). Комплектование устройства автономным прибором для регистрации температуры, давления и состава флюида позволяет анализировать условия работы устройства после завершения операции освоения.

В случае перехода скважины в режим контактирования нет необходимости его глушить для подъема оборудования, снятия лубрикатора, так как через НКТ можно запускать в скважину систему промыслового нефтесбора, не поднимая поршневой конструкции.

Всю оснастку, используемую для осуществления данного способа освоения скважины, изготавливают из серийных труб ЛБТ, пакеров ЗП-118, штанг серийных насосов ШНГ.

В основу способа положены следующие два закона - сохранения механической энергии для стационарного течения несжимаемой несвязкой жидкости по трубе тока по уравнению Бернулли:

где
ρ - плотность жидкости;
V - модуль скорости течения жидкости;
h - глубина проведения измерений;
P - гидростатическое давление;
динамический напор,
а также закон неразрывности потока жидкости, протекающего в любом поперечном сечении трубы:
ρvS = const, (2)
где
S - сечение трубы тока.

Расчет скорости потока жидкости в зазоре "обсадная колонно-поршневая конструкция" и величины давления осуществляют на основании закона неразрывности потока и системы уравнений Невью-Стокса.

При наличии перепада давления над и под поршневой конструкцией скорость потока в зазоре равна

При отсутствии разности давления над и под поршневой конструкцией скорость потока равна

При условии неподвижности поршневой конструкции

Объем протекающей в кольцевом зазоре жидкости равен

где
P₁=P_ст - гидростатическое давление;
P₂=P_раз. - разрывное давление пласта;
L₁ - длина поршневой конструкции;
r - зазор между обсадной трубой и поршневой конструкцией;
R₁ - радиус трубы;
R₂ - радиус отдельного элемента поршневой конструкции максимального размера;
V₀ - скорость перемещения поршневой конструкции;
μ - вязкость жидкости.

Находят по уравнениям (3) и (4) скорость движения жидкости в зазоре, представляют значения и уравнение (2), через форму (1) вычисляют величину динамического напора:

Приняв плотность воды равной 1, получают
.

Динамический напор является источником избыточного давления в интервале перфорированного фильтра.

Предложенные способ и устройство способны заменить многие известные способы освоения скважин, обработки призабойной зоны пласта, дают более значительный эффект.

По способу повышают уровень жидкости и давление в зоне перфорированного фильтра продуктивного пласта путем возвратно-поступательного перемещения поршня силовым агрегатом, установленным на устье. Поршень выполняют ступенчатым с различным диаметром по длине. Его подвешивают на стальном канате или кабеле, или колонне труб, спущенной в скважину непосредственно в интервале фильтра. При перемещении поршня обеспечивают пульсацию жидкости с понижением и повышением ее давления. Устройство содержит корпус. Он смонтирован на стержне. Поршень выполнен ступенчатым в виде отдельных элементов с различным диаметром и стержня-хвостовика. Отдельные элементы соединены стержнями. Отдельные элементы поршня, стержни и стержень-хвостовик выполнены с внутренними полостями и отверстиями. Полости разделены по длине пробками. Через отверстие внутренние полости сообщены со скважинным пространством. Изобретение позволяет обеспечить динамическое возбуждение дренированного пласта путем создания знакопеременных гидродинамических нагрузок в интервале продуктивного пласта-коллектора, 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ освоения нефтяных и газовых скважин путем свабирования, включающий повышение уровня жидкости и понижение ее давления в зоне перфорированного фильтра продуктивного пласта коллектора путем возвратно-поступательного перемещения поршня в скважине силовым агрегатом, установленным на устье, отличающийся тем, что поршень выполняют ступенчатым с различным диаметром по длине, подвешивают его на стальном канате или кабеле, или колонне труб, спущенной в скважину непосредственно в интервале перфорированного фильтра, а при перемещении поршня между его элементами различного диаметра и перфорированным фильтром обеспечивают пульсацию жидкости с понижением и повышением ее давления. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ступенчатый поршень выполняют в виде отдельных элементов, соединенных стержнями, при этом длина ступенчатого поршня 500 - 10000 мм, длина отдельных элементов и стержней 50 - 3000 мм, а соотношение их диаметров 1,5 - 5 : 1. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что разницу в диаметрах ступенчатого поршня в обсадной колонне выбирают в пределах от 2 до 15 мм. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что величину частоты, амплитуды и абсолютного значения давления пульсации жидкости в зоне перфорированного фильтра регулируют скоростью перемещения поршня, диаметром и длиной его элементов и стержней. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что частоту пульсации давления жидкости выбирают равной или кратной частоте собственных колебаний нефтегазоносного пласта в пределах 4 - 12 Гц. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что при перемещении поршня вверх нижний его элемент раскрывают и перекрывают сечение скважины до 75 - 98%. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что перемещение поршня выполняют в химически или поверхностно-активных веществах. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что поршень устанавливают на колонну насосно-компрессорных труб и перед освоением опускают в зумпф ниже фильтра, после чего одновременно с освоением выполняют промывку скважины. 9. Устройство для освоения нефтяных и газовых скважин путем свабирования, содержащее корпус, смонтированный на стержне, отличающееся тем, что поршень выполнен ступенчатым в виде отдельных элементов с различным диаметром, соединенных стержнями, и стержня-хвостовика, причем отдельные элементы поршня, стержни и стержень-хвостовик выполнены с внутренними полостями, разделенными по длине пробками, и отверстиями для сообщения со скважинным пространством. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр стержней выполнен в 1,5 - 5 раз меньше максимального диаметра отдельного элемента поршня. 11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что отдельные элементы поршня и стержня имеют длину в пределах 50 - 3000 мм. 12. Устройство по любому из пп.9 - 11, отличающееся тем, что оно имеет длину в пределах 500 - 10000 мм. 13. Устройство по любому из пп.9 - 12, отличающееся тем, что во внутренних полостях отдельных элементов поршня, стержней и стержня-хвостовика установлены манометры для сообщения с внешней средой через отверстия и измерения статического и динамического давлений при возвратно-поступательных перемещениях поршня в скважине. 14. Устройство по любому из пп.9 - 13, отличающееся тем, что нижний элемент поршня выполнен раскрывающимся при перемещении поршня вверх с перекрытием сечения скважины до 75 - 98%.