СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА СКВАЖИНЫ И ПОГРУЖНОЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК E21B43/25 

Изобретение относится к области эксплуатации нефтяных, газовых, водозаборных и других скважин и может быть использовано для обработки призабойной зоны пласта с целью повышения производительности скважин и увеличения проницаемости горной породы.

Известен способ обработки призабойной зоны пласта скважины, согласно которому в скважину опускают генератор импульсов давления и осуществляют импульсную обработку зоны перфорации последовательно по локальным участкам путем установки генератора напротив них, причем на каждый участок предварительно производят воздействие импульсами с энергией 250 - 400 кДж и длительностью колебаний ударной волны до их полного затухания, а затем генерируют импульсы с энергией 6 - 8 кДж и частотой 10 - 15 Гц (См. патент РФ N 2105874, кл. E 21 B 43/25, 1998 г. - наиболее близкий аналог (для способа)).

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что заправка газообразным азотом погружных генераторов импульсов давления с поверхности требует наличия дополнительного оборудования и связана с определенной долей риска при работе с оборудованием высокого давления на поверхности, кроме того, при работе импульсного генератора давления нет возможности варьировать температурный режим воздействия для удаления из призабойной зоны пласта скважин отложений асфальтосмолистых веществ и парафина. Все это снижает эффективность обработки призабойной зоны пласта скважины.

Известен импульсный генератор давления, содержащий размещенный в корпусе рабочий агент, представляющий собой пороховой заряд, воспламенитель порохового заряда, а также выполненные в корпусе сопла, предназначенные для выхода образовавшихся в результате сгорания порохового заряда газов из полости корпуса. В исходном положении генератора сопловые отверстия загерметизированы. (См. А. С. СССР N 1089348, кл. E 21 B 43/25, 1984 г.) - наиболее близкий аналог (для устройства).

В результате анализа известной конструкции необходимо отметить, что эффективность обработки призабойной зоны пласта скважины при использовании данного генератора весьма низка. Это обусловлено тем, что очень трудно осуществить строго одновременную разгерметизацию всех сопловых отверстий. В случае разгерметизации части сопловых отверстий давление пороховых газов в полости корпуса генератора резко падает и часть отверстий может оказаться неразгерметизированными. Это приводит к тому, что обработке подвергается только часть призабойной зоны пласта скважины, что, естественно, снижает эффективность работы устройства генератора.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение эффективности обработки призабойной зоны пласта скважины.

Поставленная задача решается тем, что в способе обработки призабойной зоны пласта скважины, включающем спуск в скважину погружного генератора, инициирование рабочего агента генератора и импульсную обработку интервала перфорации, новым является то, что в качестве рабочего агента генератора используют смесь азида щелочного металла с окислом металла, образующую при инициировании газообразный азот, который аккумулируют в корпусе генератора и при достижении температуры азота 550 - 700^oC и давлении 30,0 - 130,0 МПа подают последний в зону перфорации пласта скважины и осуществляют ее обработку в течение времени, не превышающего одну секунду, причем в качестве рабочего агента может быть использован азид натрия Na₂ N₃, а в качестве окисла металла - окись железа.

Способ может быть осуществлен посредством погружного генератора, содержащего корпус с сопловыми отверстиями и установленный в корпусе элемент инициирования рабочего агента, причем в конструкции погружного генератора новым является то, что генератор снабжен установленным в корпусе с возможностью перемещения поршнем, в исходном положении перекрывающим сопловые отверстия, а в конечном - имеющим возможность взаимодействия с установленным в корпусе демпфирующим элементом и закрепленным в корпусе стаканом, предназначенным для аккумулирования полученной в результате инициирования рабочего агента газовой среды, причем в верхней и нижней частях стакана имеются по меньшей мере по одному отверстию, а стакан и поршень соединены разрывным элементом.

Поршень и разрывной элемент выполняют функцию клапана, открывающего сопловые отверстия одновременно, что позволяет подавать газовую смесь одновременно под одинаковым давлением через все сопловые отверстия и, тем самым, создать одинаковые условия обработки всей зоны перфорации пласта.

Благодаря применению в конструкции погружного генератора разрывного элемента обеспечивается возможность аккумулирования в стакане газообразного азота до достижения последним заданного давления и температуры, независимо от скорости протекания химической реакции образования азота, и воздействовать на зону перфорации газовой смесью с точно заданными давлением и температурой в течение весьма краткого интервала времени. Все это позволяет существенно повысить эффективность обработки призабойной зоны пласта скважин.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, что позволяет считать предложенное изобретение соответствующим критерию "новизна".

Сущность предложенного решения не следует явным образом из известных технических решений, а следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения как в части способа, так и в части устройства.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых:
на фиг. 1 - схема расположения погружных генераторов в скважине;
на фиг. 2 и фиг. 3 - погружной генератор, осевой разрез, с разрывом по центральной части корпуса;
на фиг. 4 - фрагмент погружного генератора при осуществлении им рабочего цикла.

Способ обработки призабойной зоны пласта скважины осуществляют следующим образом.

Погружной генератор (или несколько генераторов) закрепляют на геофизическом каротажном кабеле и опускают в скважину в зону ее перфорации и устанавливают в заданном положении, например в зоне с максимальным значением газофнетенасыщенности (определена предварительно).

Далее с пульта управления, расположенного на поверхности, инициируют генератор путем осуществления химической реакции рабочего агента.

В качестве рабочего агента используют смесь азида щелочного металла с окислом металла, например смесь азида натрия с окисью железа.

Технология приготовления смеси известна и не представляет сложности.

Химическая реакция горения смеси осуществляется поджигом смеси, например пиропатроном и воспламенителем, которые инициируются от коммутационного блока.

Реакция горения смеси в общем случае может быть описана уравнением:
2MN₃ + R_xO = MO + XR + 3N₂,
где M - щелочной металл;
R - металл;
X - валентность.

В результате протекания реакции горения смеси (рабочего агента) образуется газообразный азот, который аккумулируется в полости корпуса генератора и при достижении температуры азота 550 - 700^oC и давления 30,0 - 130,0 МПа газообразный азот подают в зону перфорации пласта скважины и осуществляют ее обработку в течение времени, не превышающего одну секунду.

Контроль давления и температуры газообразного азота в полости генератора не представляет технических трудностей. Подача азота в зону перфорации пласта скважины может осуществляться, например, срабатыванием клапанного элемента. Обработка зоны перфорации в течение строго заданного времени может быть реализована, например, заданным временем нахождения клапана генератора в положении "открыто" или подбором (расчетом) проходного сечения сопловых отверстий (сопел) генератора.

При подаче в зону обработки пласта газообразного азота с температурой меньше 550^oC не обеспечивается удаление из зоны перфорации отложений асфальтосмолистых веществ.

При подаче азота с температурой, большей 700^oC, возможен процесс спекания глинистых отложений в призабойной зоне пласта и снижение ее проницаемости.

При подаче азота по давлением, меньшим 30,0 МПа, энергии импульса недостаточно для образования микротрещин в горной породе и увеличения ее проницаемости, а при подаче с давлением, большим 130,0 МПа, может происходить уплотнение горной породы в призабойной зоне пласта и уменьшение ее проницаемости.

Наибольший эффект обработки обеспечивается при времени обработки пласта, не превышающем одну секунду. При превышении времени обработки установленного значения резко снижается эффективность импульсного динамического воздействия на призабойную зону пласта скважин.

Использование в качестве газа, обрабатывающего зону перфорации, азота позволяет обеспечить взрывопожаробезопасность проведения работ на скважине, кроме того, наличие газообразного азота в призабойной зоне пласта скважины способствует повышению текучести нефти и увеличению производительности работы скважин.

Погружной генератор выполнен в виде корпуса 1, в котором закреплен стакан 2, предназначенный для аккумулирования газообразной среды, получаемой в результате инициирования рабочего агента и его реакции (например, реакция горения азида щелочного металла (Na₂N₃) и окисла металла (Fe₂O₃).

На стакане установлен разрывной элемент (например, болт) 3, связывающий стакан 2 с поршнем 4, установленным с возможностью перемещения в корпусе 1. Разрывной элемент имеет калиброванную шейку 5, рассчитанную на определенное (заданное) усилие разрыва.

В корпусе 1 выполнены сопловые отверстия (их количество может быть различным) 6, соединяющие полость корпуса 1 с внутренней средой скважины. В отверстиях 6 установлены сопла 7 с проходным отверстием 8. Сопла 7 могут быть сменными, с различным размером проходного отверстия 8.

В корпусе 1 установлен демпфирующий элемент 9, имеющий возможность взаимодействия с поршнем 4 в конечном положении последнего.

В корпусе 1 также установлены элементы 10 инициирования рабочего агента, например пиропатрон, воспламенитель и собственно рабочий агент 11.

Для осуществления обработки призабойной зоны пласта скважины в последнюю может быть опущено несколько последовательно закрепленных на каротажном геофизическом кабеле 12 генераторов, элементы 10 каждого из них связаны с коммутационным блоком 13, закрепленным на кабеле 12 и связанным с пультом управления (не показан), расположенным на поверхности. В верхней и нижней частях стакана имеется как минимум по одному отверстию 14 и 15.

Погружной генератор работает следующим образом.

Как уже упоминалось выше, на кабеле 12 крепят один или несколько генераторов, пиропатроны которых соединяют с коммутационным блоком 13, а его, в свою очередь, соединяют с пультом управления. Конструкции коммутационного блока, пульта управления известны, они не являются предметом изобретения и поэтому в материалах заявки не раскрыты.

Далее генератор (генераторы) и коммутационный блок опускают в скважину, в зону обработки призабойной зоны пласта. С пульта управления подают сигнал на коммутационный блок, который приводит в действие один, несколько или все размещенные в генераторах пиропатроны (зависимости от заданного технологического цикла), которые инициируют воспламенитель и рабочий агент каждого генератора (если их несколько).

В результате протекания реакции образуется газовая среда, которая через отверстия 14 попадает в стакан, аккумулируется в нем и через отверстия 15 с возрастающим давлением действует на торец поршня 4 (в исходном положении он перекрывает сопловые отверстия 6, а следовательно, и сообщение полости корпуса 1 с полостью скважины (обсадной колонны). При достижении расчетного давления на торец 4 происходит разрыв шейки 5 болта 3.

Под действием давления газов поршень 4 резко перемещается в верхнее (в плоскости чертежа) положение, одновременно открывая отверстия 6, и газы через отверстия 8 сопел 7 под давлением выбрасываются, например, в обсадную трубу, откуда через выполненные в последней отверстия (позицией не обозначены) подаются в зону обработки пласта скважины.

В конструкции генератора поршень 4 с разрывным болтом 3 образуют клапанный узел.

В связи с тем что скорость перемещения поршня 4 после разрыва болта 3 весьма велика и может привести к разрушению корпуса генератора, в корпусе установлен демпфирующий элемент 9, который гасит скорость перемещения поршня 4 и предохраняет корпус генератора от разрушения.

После отработки технологического цикла коммутационный блок и генератор (генераторы) поднимают перемещением каротажного геофизического кабеля 12 на поверхность.

Генератор (генераторы) разбирается, осуществляется нейтрализация продуктов сгорания, проверяется исправность его конструктивных элементов, после чего устанавливается новый пиропатрон, загружается рабочий агент 11, заменяется демпфирующий элемент 9, разрывным болтом 3 соединяются стакан 2 и поршень 4. После выполнения этих операций осуществляют сборку погружного генератора.

Генератор готов к повторному циклу.

Изобретение относится к области эксплуатации нефтяных, газовых, водозаборных и других скважин и может быть использовано для обработки призабойной зоны пласта с целью повышения производительности скважин и увеличения проницаемости горной породы. Способ включает спуск в скважину погружного генератора и импульсную обработку зоны перфорации посредством инициирования рабочего агента генератора. В качестве рабочего агента используют смесь азида щелочного металла с окислом металла, образующую в результате протекания их реакции газообразный азот. Этот азот аккумулируют в корпусе генератора и при температуре последнего 550-700°С и давлении 30,0-130,0 МПа подают в зону перфорации и осуществляют ее обработку в течение времени, не превышающего одну секунду. Погружной генератор содержит корпус с сопловыми отверстиями и установленный в корпусе элемент инициирования рабочего агента. В корпусе также размещены связанные друг с другом разрывным элементом поршень и стакан. Поршень установлен с возможностью перемещения и в исходном положении перекрывает сопловые отверстия. В конечном положении поршень взаимодействует с демпфирующим элементом. Стакан закреплен в корпусе, имеет в верхней и нижней частях отверстия для прохождения газообразного азота и предназначен для аккумулирования последнего. Повышается эффективность обработки призабойной зоны пласта скважины. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ обработки призабойной зоны пласта скважины, включающий спуск в скважину погружного генератора, инициирование рабочего агента генератора и импульсную обработку интервала зоны перфорации, отличающийся тем, что в качестве рабочего агента генератора используют смесь азида щелочного металла с окислом металла, образующую при инициировании газообразный азот, который аккумулируют в корпусе генератора, и при достижении температуры азота 550 - 700^oC и давления 30,0 - 130,0 МПа подают последний в зону перфорации пласта скважины и осуществляют ее обработку в течение времени, не превышающем 1 с. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве азида щелочного металла используют азид натрия. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окисла металла используют окись железа. 4. Погружной генератор, содержащий корпус с сопловыми отверстиями и установленный в корпусе элемент инициирования рабочего агента, отличающийся тем, что генератор снабжен установленным в корпусе с возможностью перемещения поршнем, в исходном положении перекрывающим сопловые отверстия, а в конечном - имеющим возможность взаимодействия с установленным в корпусе демпфирующим элементом, и закрепленным в корпусе стаканом, предназначенным для аккумулирования полученной в результате инициирования рабочего агента газовой среды, причем в верхней и нижней частях стакана имеются по меньшей мере по одному отверстию, а стакан и поршень соединены разрывным элементом.