ЭЛЕКТРОГИДРОУДАРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКТИВАЦИИ НЕФТЕГАЗОНОСНОГО ПЛАСТА И СПОСОБ ПИТАНИЯ ЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВОМ Российский патент 2003 года по МПК E21B43/25 E21B36/04 

Предлагаемые изобретения относятся к области добычи жидких и газообразных полезных ископаемых из буровых скважин, а именно к техническим средствам для активации и возбуждения скважин электрогидроударным способом, и может найти применение для возбуждения добывающих и увеличения приемистости нагнетательных скважин и повышения отдачи продуктивных пластов газоконденсатонефтяных и других месторождений жидких и газообразных полезных ископаемых.

К настоящему времени разработан целый ряд методов воздействия на прифильтровую зону нефтяных, газоконденсатных и водозаборных скважин, в том числе физические, механические, гидравлические, химические, тепловые и др. Особый интерес представляют способы динамического (ударного) воздействия на продуктивный пласт, поскольку эти способы в определенных горно-геологических условиях менее энергоемки и технически более эффективны.

Одним из таких способов является электрогидроударный способ, основанный на электрогидравлическом эффекте Юткина [1]. Электрогидравлический эффект (далее ЭГЭ) нашел довольно широкое использование в промышленности, в том числе и в горном деле [2]. Применительно к активации нефтегазоносных и водоносных пластов, возбуждению добывающих и увеличению приемистости нагнетающих скважин при электрогидравлическом ударе в прифильтровой зоне продуктивного пласта разрушаются, смещаются и выносятся из трещин и поровых каналов частицы горных пород, расширяются старые и образуются новые микротрещины, декольматируется фильтр, приходит в колебательное движение находящаяся в пласте жидкость. Кроме того, возникающие в процессе электрического воздействия на нефтегазоносный пласт электромагнитное и тепловое излучение расплавляют асфальтенопарафиновые отложения, что также способствует повышению нефтеотдачи пласта.

Известно несколько типов электрогидроударных устройств скважинного исполнения [3-5] . Электроударный агрегат для повышения нефтеотдачи пластов [3] представляет собой скважинный генератор электрогидравлических импульсов (генератор импульсных токов или ГИТ), спускаемый в скважину на кабель-тросе посредством спуско-подъемного устройства. Электрогидравлический генератор содержит следующие блоки: трансформаторно-выпрямительный блок, блок высоковольтных конденсаторов, управляющий разрядник с блоком запуска и два разрядных электрода, один из которых подвижный. Скважинный генератор имеет диаметр 114 мм, рассчитан на давление 25 МПа и питается от источника тока с напряжением 127 В (разрядное напряжение 30 кВ).

Недостатки агрегата - сложность конструкции генератора электрогидравлических импульсов, трудности его эксплуатации.

Известны установки для восстановления и повышения дебита водозаборных скважин методом электрогидравлического удара [4, 5].

Типовая установка [5] - прототип, располагаемая на платформе транспортного средства, содержит ГИТ и подъемную лебедку с высоковольтным кабелем, на конце которого закреплен жидкостный (рабочий) разрядник. ГИТ состоит из зарядного устройства, конденсаторной батареи и воздушного (формирующего) разрядника. В качестве токопровода для передачи высоковольтных импульсов тока от ГИТ к жидкостному разряднику используется коаксиальный кабель РК-50 рабочим напряжением 50-80 кВ. Зарядное устройство питается от источника тока напряжением 220-380 В. Выходное напряжение ГИТ составляет 30-60 кВ.

Недостатки электрогидроударной установки с поверхностным расположением ГИТ - ограниченные технические возможности (глубина обрабатываемых скважин не превышает 100-150 м), относительная сложность конструкции.

Наиболее ответственным узлом электрогидроударных установок является жидкостный разрядник, спускаемый в фильтровую часть скважины вместе со скважинным ГИТ на низковольтном кабель-тросе, либо на высоковольтном кабеле, выполняющем роль токопровода для передачи высоковольтных импульсов. К настоящему времени разработан ряд конструкций жидкостных разрядников. Например, разрядники с электродной системой типа "острие - плоскость" и кольцевыми электродами состоят из стального корпуса, внутри которого в изолирующей трубке из вакуумной резины расположен кабель [4]. Последний соединен с положительным электродом, который представляет собой металлический стержень или трубку, устанавливаемые внутри изолятора из стеклопластика. В устройстве-прототипе имеется жидкостный разрядник с дискообразным основанием отрицательного электрода [5]. Разрядник состоит из положительного электрода, прикрепленного к коаксиальному высоковольтному кабелю, изолятора и отрицательного электрода.

Существует лишь один способ питания электрогидроударных установок электрическим током - от промышленных источников тока напряжением 127-380 В по низковольтному кабелю. При этом различают два способа передачи высоковольтных импульсов тока от ГИТ к жидкостному разряднику. По первому из них высоковольтные импульсы, вырабатываемые скважинным ГИТ, здесь же по металлическому проводнику поступают на жидкостный разрядник, находящийся в непосредственной близости от воздушного разрядника [3]. По второму способу от ГИТ, расположенного на поверхности земли, высоковольтные импульсы на жидкостный разрядник передаются по высоковольтному электрическому кабелю [5].

Недостатки существующих способов передачи высоковольтных импульсов тока заключаются в следующем. При выработке импульсов тока непосредственно в скважине усложняется конструкция и эксплуатация электрогидроударной установки. При передаче высоковольтных импульсов тока в скважину с поверхности земли требуется высоковольтный кабель, активное и индуктивное сопротивления которого существенно снижают кпд передачи электрической энергии и соответственно уменьшают техническую эффективность электрогидроударной установки.

Известен способ использования металлического молниевода для каналирования электрического тока в угольную или нефтяную формацию в недрах земли (US 5417282). Этот способ может быть реализован, если грозовая деятельность происходит в непосредственной близости от поверхности земли, так как низкорасположенный молниевод имеет низкую эффективность.

Поставлена задача - упростить конструкцию электрогидроударного устройства и повысить его технические возможности.

Эта задача решена посредством использования для обработки прифильтровой зоны нефтегазоносного пласта природного источника электрической энергии, а именно атмосферного электричества, канализируемого в недра земли по воздушному электропроводящему каналу.

Сущность предложенных технических решений заключается в следующем.

Электрогидроударное устройство состоит из двух разрядников - воздушного, располагаемого на поверхности в непосредственной близости от устья скважины, и жидкостного, который находится в фильтровой части эксплуатационной обсадной колонны. Один из электродов воздушного разрядника контактирует с воздушным электропроводящим каналом (молниеводом), другой электрод соединен проводником с электроизолированной эксплуатационной обсадной колонной, служащей токопроводом для высоковольтных импульсов, снимаемых с воздушного разрядника и передаваемых на жидкостный разрядник. Жидкостный разрядник состоит из двух электродов - положительного, в качестве которого используется фильтр, и отрицательного, выполненного в виде металлического стержня и закрепленного в фильтре на изоляторах.

Способ питания электрогидроударного устройства электричеством заключается в следующем.

Над скважиной в приземном слое атмосферы создают электропроводящий канал, выполненный в виде металлического проводника, поднимаемого и поддерживаемого в приземном слое атмосферы, или канал, созданный лучом лазера или направленным пучком заряженных частиц. По этому каналу осуществляют переток атмосферных электрических зарядов, из которых формируют импульсы тока высокого напряжения и передают их по эксплуатационной колонне на скважинный фильтр, являющийся положительным электродом жидкостного разрядника.

Далее сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображены конструкция газоконденсатнонефтяной скважины и монтажная схема электрогидроударного устройства.

Прежде чем изложить сущность и порядок реализации предложенного технического решения необходимо пояснить следующее. Общеизвестно, что грозовой электрический разряд (молния) обладает довольно большой мощностью. Известно, что сила тока разряда составляет 10²-10⁵ А, а напряженность электрического поля достигает величины 15 кВ•м^-1. Экспериментально установлено, что при прямом ударе молнии в буровую скважину значение максимальной плотности тока на обсадной колонне может достигать величины 30 А•м^-2 [6]. Такая величина разрядного тока вполне достаточна для создания мощной гидроударной волны при электрическом разряде в жидкости. Известны также способы канализации атмосферных электрических зарядов в заданную точку поверхности земли [7]. Этот способ осуществляется путем создания искусственного воздушного электропроводящего канала. Все это является доказательством технической возможности использования атмосферного электричества для испытания электрогидроударной установки при активации и возбуждении нефтегазоносных пластов газоконденсатного месторождения.

Электрогидроударное устройство для активации нефтегазоносного пласта состоит из двух разрядников - воздушного 1 и жидкостного 2. Воздушный разрядник 1 располагается в непосредственной близости от устья скважины либо закрепляется на обсадной колонне 3. Один из электродов 4 воздушного разрядника контактирует с воздушным электропроводящим каналом (молниеводом) 5, другой электрод 6 проводником 7 соединен с эксплуатационной обсадной колонной 3. Эксплуатационная колонна 3 имеет внутреннее и внешнее электрозащитное покрытие 8 (с целью исключения утечки тока) и зацементировано в технической обсадной колонне 9 цементным раствором 10 с электроизоляционными свойствами (для предупреждения электрического пробоя на техническую колонну). В свою очередь техническая колонна 9 зацементирована в кондукторе 11. Жидкостный разрядник состоит из положительного электрода, роль которого выполняет фильтр 12, и отрицательного электрода 13. Электрод 13 выполнен в виде металлического стержня или трубы, закрепляемых аксиально в фильтре 12 посредством изоляторов 14. Он имеет достаточную длину, чтобы обеспечить надежный контакт с горной породой и минимальное электрическое сопротивление заземления.

Воздушным электропроводящим каналом 5 может служить металлический проводник, поднимаемый и поддерживаемый в приземном слое атмосферы летательным аппаратом, например воздушным шаром, радиоуправляемой моделью. Канал 5 может быть создан лучом лазера или направленным пучком заряженных частиц, например электронов или протонов.

Питание электрогидроударного устройства и его работа осуществляется следующим образом.

При приближении к нефтегазовому промыслу грозового фронта, в зависимости от высоты максимально происходящих электрических разрядов в атмосфере, над скважиной в приземном слое атмосферы, создают воздушный электропроводящий канал 5. Он может быть образован лучом лазера, направленным пучком заряженных частиц (электронов, протонов) или металлическим проводником, поднимаемым в приземном слое атмосферы летательным аппаратом, например воздушным шаром. По этому каналу из окружающих слоев атмосферы стекаются электрические заряды и осуществляется переток электричества к воздушному разряднику 1. При достижении между электродами 4 и 6 разрядника определенной величины разности потенциалов происходит электрический пробой воздушного промежутка 15, и сформированный электрический импульс тока высокого напряжения по проводнику 7 поступает на обсадную эксплуатационную колонну 3. Двигаясь по колонне, импульс тока достигает положительного электрода - фильтра 12, где и происходит электрический пробой жидкостного межэлектродного промежутка 16. Возникающая при пробое гидравлическая ударная волна воздействует на нефтегазовый пласт 17, возбуждая его и стимулируя нефтегазоотдачу. После проведения серии проработок скважину опробывают и при неудовлетворительных результатах проработку повторяют.

Предложенные технические решения при реализации дают следующие преимущества: используется "бесплатная" природная электрическая энергия, упрощается конструкция электрогидроударного устройства (за счет исключения ГИТ и электрических кабелей), повышаются технические возможности установки (за счет снижения активных и индуктивных потерь, формирования более мощных импульсов тока и т.п.).

Источники информации
1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект. М.-Л, "Машгиз", 1955.

2. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л., "Машиностроение", 1986.

3. Середа Н. Г. и др. Спутник нефтяника и газовика. Справочник. М., "Недра", 1986.

4. Гаврилко В. М., Алексеев В.С. Фильтры буровых скважин. М., "Недра", 1985.

5. Башкатов Д. Н. и др. Специальные работы при бурении и оборудовании скважины на воду. Справочник. М., "Недра", 1988.

6. Карякин P.Н. Молниезащитные свойства обсадных труб буровой скважины. Промышленная энергетика, 7, 1998.

7. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Экспериментальная физика атмосферы. Л., "Гидрометеоиздат", 1990.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может найти применение для возбуждения добывающих и увеличения приемистости нагнетательных скважин и повышения отдачи продуктивных пластов газоконденсатонефтяных и других месторождений жидких и газообразных полезных ископаемых. Электрогидроударное устройство состоит из воздушного и жидкостного разрядников. К одному из электродов воздушного разрядника примыкает воздушный электропроводящий канал, другой соединен с эксплуатационной обсадной колонной. Эксплуатационная колонна имеет внутреннее и внешнее электроизоляционное покрытие. Жидкостный разрядник состоит из двух электродов, положительным из которых является фильтр, а отрицательный электрод заземлен и выполнен в виде металлического стержня, закрепленного на изоляторах в фильтре. Для питания электрическим током и обеспечения работы электрогидроударного устройства над скважиной в приземном слое атмосферы создают воздушный электропроводящий канал, выполненный в виде металлического проводника, поднимаемого и поддерживаемого в приземном слое атмосферы, или канал, созданный лучом лазера или направленным пучком заряженных частиц. Посредством этого канала осуществляют улавливание и переток атмосферных электрических зарядов на воздушный разрядник. Сформированные на разряднике импульсы тока высокого напряжения по эксплуатационной колонне передаются на жидкостный разрядник. Между фильтром и стержнем происходит электрический пробой жидкостного промежутка. Образующаяся при этом гидравлическая ударная волна оказывает динамическое и иное воздействие на прифильтровую зону продуктивного пласта. Изобретение позволяет использовать для обработки нефтегазового пласта атмосферное электричество и вместе с тем повысить технические возможности и упростить конструкцию электрогидроударного устройства. 2 н.п.ф-лы, 1 ил.

1. Электрогидроударное устройство для активации нефтегазоносного пласта, включающее источник электричества, соединенный через воздушный разрядник токопроводом с жидкостным разрядником, находящимся в фильтровом участке скважины, отличающееся тем, что токопровод выполнен в виде изолированной обсадной эксплуатационной колонны, к одному электроду воздушного разрядника примыкает воздушный электропроводящий канал для связи с источником электричества, а другой электрод воздушного разрядника соединен проводником с электроизолированной обсадной эксплуатационной колонной, при этом положительным электродом жидкостного разрядника является фильтр, отрицательный электрод жидкостного разрядника заземлен и выполнен в виде металлического стержня, закрепленного на изоляторах внутри фильтра. 2. Способ питания электричеством электрогидроударного устройства для активации нефтегазоносного пласта, включающий получение от источника электричества электрического тока, формирование из электрического тока импульсов тока высокого напряжения с использованием воздушного разрядника и передачу их по токопроводу на жидкостный разрядник для осуществления электрического разряда в скважине, отличающийся тем, что в качестве источника электричества используют атмосферные электрические заряды, получение электрического тока и формирование из него импульсов тока высокого напряжения осуществляют перетоком атмосферных электрических зарядов на воздушный разрядник посредством создания над скважиной в приземном слое атмосферы воздушного электропроводящего канала, выполненного в виде металлического проводника, поднимаемого и поддерживаемого в приземном слое атмосферы, или канала, созданного лучом лазера или направленным пучком заряженных частиц, а в качестве токопровода используют колонну обсадных труб.