СПОСОБ РАЗРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК E21B43/24 

Изобретение относится к области геотехнологии добычи углеводородных ископаемых, в частности к способам и режимам воздействия на пласт управляемыми физическими полями, и может быть использовано для повышения нефтеотдачи пластов и интенсификации добычи нефти.

Ближайшим аналогом изобретения по своей технической сущности является изобретение по патенту RU 2184842 С2 на “Способ разработки нефтяной залежи”.

В соответствии с данным способом бурят нефтедобывающую скважину и осуществляют через нее одновременное воздействие на пласт тепловым источником, находящимся в скважине, и источником волновых колебаний, находящимся у устья скважины, с одинаковой частотой колебаний по гармоническому закону с синхронно изменяющейся частотой и периодически постоянной разницей фаз. Теплота и колебания давления распространяются в пласте и воздействуют на процессы фильтрации в нем, интенсифицируя добычу нефти.

Недостаток способа заключается в том, что не осуществляется воздействие на пласт колебаниями давления в диапазоне частот, резонансных с собственными частотами акустической системы кровля-пласт-подошва, а также не определена оптимальная длина скважины, в результате чего не достигается максимальный эффект применения способа для увеличения скорости фильтрации пластовой жидкости.

Задачей настоящего изобретения является интенсификация процесса фильтрации пластовой жидкости за счет повышения эффективности теплового и волнового воздействия на продуктивный пласт посредством волн давления с частотами, резонансными с собственными частотами колебаний пласта при оптимальной длине скважины.

Поставленная задача решается тем, что в способе разработки углеводородного месторождения, включающем бурение скважины и последующее одновременное тепловое воздействие на продуктивный пласт и воздействие волновым полем, скважину бурят параллельно кровле или подошве, исследуют акустические свойства системы кровля-пласт-подошва, определяют собственные частоты колебания пласта, определяют акустические характеристики системы кровля-пласт-подошва, а воздействие волнами давления осуществляют в диапазоне частот, содержащем спектр частот, резонансных собственным частотам колебаний пласта, при этом длину L_k скважины в пласте выбирают кратной номеру гармоники звуковых волн, направление распространения которых перпендикулярно кровле или подошве пласта, в соответствии с зависимостью

где Н - средняя толщина пласта, м;

- относительное волновое сопротивление системы кровля-пласт-подошва;

ω _i - собственная частота колебаний пласта;

ω _pi - резонансная частота волн давления;

k=1, 2, 3,... - целые числа - номера гармоник, определяющие длину скважины.

В частных воплощениях изобретения, поставленная задача решается тем, что одновременное тепловое воздействие и воздействие волнами давления осуществляют посредством подачи теплоносителя в пласт через генератор колебаний давления, установленный в скважине.

В качестве теплоносителей используют газы и жидкости. Собственные частоты ω _i колебаний пласта определяют в соответствии с зависимостями

где π =3,14 - постоянная величина;

с - скорость распространения продольных колебаний в пласте, м/с;

i=i_min; i_min+1; i_min+2; i_min+3;... i_max - номера гармоник звуковых волн, направление распространения которых перпендикулярно кровле или подошве пласта;

- минимальное значение номера гармоники, округляемое до большего целого числа;

- максимальное значение номера гармоники, округляемое до большего целого числа;

ω _min, ω _mах - нижняя и верхняя границы диапазона циклических частот, Гц.

Акустические характеристики системы кровля-пласт-подошва определяют в соответствии с зависимостями

где δ - коэффициент затухания системы кровля-пласт-подошва, с^-1;

R - волновое сопротивление пласта, кг/(м²·^с);

R_кр - волновое сопротивление кровли, кг/(м²·^с);

R_n - волновое сопротивление подошвы, кг/(м²·^с);

ρ , ρ _кр, ρ _n - плотность пласта, кровли и подошвы соответственно, кг/м³;

с, c_кр, с_n - скорость распространения продольных колебаний в пласте, кровле и подошве соответственно, м/с.

Резонансные частоты ω _pi спектра частот генерируемых волн давления определяют в соответствии с зависимостью

Сущность изобретения состоит в том, что при наличии температурного поля генератор колебаний давления, установленный в скважине, формирует волны давления со спектром частот, резонансных собственным частотам колебаний пласта, а длина скважины выбирается кратной целому числу волн, направление распространения которых перпендикулярно кровле или подошве пласта и совпадает с направлением скважины.

Продуктивный пласт, ограниченный вышележащими и нижележащими породами - кровлей и подошвой, - представляет собой, с точки зрения акустики, волновод, имеющий акустическую характеристику, которая определяется толщиной и акустическими свойствами пласта, акустическими свойствами кровли и подошвы.

Скважина в пласте является линейным источником теплового и волнового полей. Волновое поле наиболее эффективно в том случае, если направление распространения волн давления перпендикулярно кровле или подошве пласта, т.е. скважина должна быть пробурена параллельно кровле или подошве.

Эффективность этих волн обусловлена тем, что они, многократно отражаясь от кровли и подошвы, затухают, не покидая объема пласта, ограниченного длиной скважины. Волны, падающие на кровлю и подошву под острыми углами, после многократного косого отражения покидают этот объем; энергия ушедших волн является потерянной для зоны пласта длиной, равной длине скважины.

Длина скважины как один из размеров резонирующего объема пласта не может быть произвольной. Она должна быть кратна целому числу номера гармоники звуковых волн, направленных вдоль оси скважины.

Способ реализуется следующим образом.

При наличии теплового воздействия исследуют акустические свойства системы кровля-пласт-подошва и, используя структурные свойства пласта и теплофизические свойства жидкости, определяют диапазон характеристических частот воздействия на пласт, f∈ [f_min; f_max], а затем диапазон циклических частот ω ∈ [ω _min; ω _max], где ω =2π f.

Кроме того, определяют собственные частоты колебаний пласта в соответствии с зависимостями

где ω _i - собственная частота колебаний i-го номера, Гц;

π =3,14 - постоянная величина;

с - скорость распространения продольных колебаний в пласте, м/с;

Н - средняя толщина пласта, м;

i=i_min; i_min+1; i_min+2; i_min+3;... i_max - номера гармоник звуковых волн, направление распространения которых перпендикулярно кровле или подошве пласта;

- минимальное значение номера гармоники, округляемое до большего целого числа;

- максимальное значение номера гармоники, округляемое до большего целого числа;

ω _min, ω _mах - нижняя и верхняя границы диапазона циклических частот, Гц.

По результатам исследования акустических свойств системы кровля-пласт-подошва определяют ее акустические характеристики в соответствии с зависимостями

где δ - коэффициент затухания системы кровля-пласт-подошва, с^-1;

R - волновое сопротивление пласта, кг/(м²·^с);

R_кр - волновое сопротивление кровли, кг/(м²·^с);

R_n - волновое сопротивление подошвы, кг/(м²·^с);

ρ , ρ _кр, ρ _n - плотность пласта, кровли и подошвы соответственно, кг/м³;

с, с_кр, с_n - скорость распространения продольных колебаний в пласте, кровле и подошве соответственно, м/с;

Н - средняя толщина пласта, м.

Затем определяют резонансные частоты ω _pi спектра генерируемых колебаний давления в соответствии с зависимостью

При этом ряд значений длины скважины в пласте и гармоники, определяющие эти значения длины, должны удовлетворять соотношению

где Н - средняя толщина пласта, м;

- относительное волновое сопротивление системы кровля-пласт-подошва, кг/(м²·^с);

k=1, 2, 3,... - целые числа - номера гармоник, определяющие длину скважины.

Выбор оптимальной длины, например, горизонтальной скважины, пробуренной параллельно кровле или подошве, производится следующим образом.

Допустим, на основе технологических проработок определена длина скважины . Из уравнения, связывающего длину скважины с номером гармоники при ω _i/ω _pi=1 (при i≥ 3 это отношение практически равно единице), определяют значение гармоники

которое округляется до большего ближайшего числа k. Значение k используется для уточнения длины скважины по формуле (4).

На примере Мордово-Кармальского месторождения природных битумов Татарстана произведем расчет характеристик резонансного тепловолнового способа воздействия на битумный пласт в условиях горизонтальных скважин.

В результате исследований битумонасыщенного пласта по разрезу скважин №119 и 140 получены следующие данные:

- глубина залегания продуктивного пласта Y=90-100 м;

- толщина продуктивного пласта в среднем Н=10 м;

- пористость m=0,33;

- диапазон значений диаметра пор: d_min=0,02 мм=2· 10^-5 м; d_max=0,04 мм=4· 10^-5 м.

Состав пород:

- кровля пласта - лингуловые глины, газоносные песчаники;

- продуктивный пласт - плотные и рыхлые песчаники, насыщенные битумом;

- подошва пласта - водоносные песчаники.

Физические свойства породы:

- плотность глины ρ _г=1440 кг/м³;

- скорость звука в ней с_г=1600 м/с;

- плотность газоносного песчаника ρ _гп=1720 кг/м;

- скорость звука в нем c_гп=1500 м/с;

- плотность песчаника, насыщенного битумом ρ =2040 кг/м³;

- скорость звука в нем с=1900 м/с;

- плотность водоносного песчаника ρ _вn=2050 кг/м³;

- скорость звука в нем c_вп=2250 м/с.

Теплофизические свойства породы пласта:

- теплоемкость c_р=0,83 кДж/(кг· К);

- теплопроводность λ =1,22 Вт/(м· К).

Теплофизические свойства битума:

- плотность при 20° С ρ _ж=960 кг/м³;

- теплоемкость c_ж=2,0 кдж/(кг· К);

- теплопроводность λ _ж=0,117 Вт/(м· К);

- зависимость вязкости битума от температуры, Па· с;

μ (t)=2,114· exp(-0,0437· t),

где t - температура, ° С.

Параметры пласта в рассматриваемом тепловом поле:

- максимальная температура t_max=218,6° С;

- средняя температура ;

- минимальная температура t_min=126,2° С;

- вязкость битума при t_max°_{С:=218,6° С: μ (tmax)=1,64· 10^-4 Па· с;}

- вязкость битума при t_min=126,2° С: μ (t_min)=8,95· 10^-3 Па· с.

Определение характеристик резонансного тепловолнового способа воздействия на пласт производится в следующем порядке.

1. Определяют минимальное и максимальное значения характеристических частот диапазона частот воздействия на пласт, Гц:

2. Значения циклической частоты, соответствующие значениям характеристической частоты, Гц:

ω _min=2· 3,14· 150=942,

ω _max=2· 3,14· 8140=51120.

3. Минимальная и максимальная гармоники собственных частот колебаний пласта:

4. Значения собственных циклических частот колебаний пласта, Гц:

ω ₂=1194ω ₄₀=23880ω ₃=1793ω ₆₀=35820... ... ω ₁₀=5969ω ₇₀=44760... ... ω ₂₀=11938ω ₈₆=51342

Здесь приведены лишь некоторые значения частот из рассматриваемого спектра, показывающие интенсивность нарастания частоты с увеличением номера гармоники.

5. Волновое сопротивление кровли пласта вычисляем как среднее арифметическое значение волновых сопротивлений лингуловой глины и газоносного песчаника, кг/(м²·^с):

6. Значение волновых сопротивлений пласта и подошвы, кг/(м²·^с):

R=2,04· 1,90· 10⁶=3,88· 10⁶,

R_n=2,05· 2,25· 10⁶=4,61· 10⁶.

7. Значение относительного волнового сопротивления системы кровля-пласт-подошва:

8. Коэффициент затухания колебаний системы кровля-подошва, с^-1

9. Спектр резонансных частот генератора излучения волн давления, Гц:

ω _p10=5979,ω _р60=35821,... ... ω _р20=11944,ω _р80=44761,... ... ω _р20=23888,ω _р86=51343.

10. Определение оптимального значения длины скважины.

Например, первоначальная длина горизонтальной скважины . Определяется гармоника по формуле (5)

Принимается k=6. Оптимальная длина скважины в соответствие с формулой (4), м:

Таким образом, первоначальная длина скважины практически совпадает с длиной скважины, которая обеспечивает резонансное воздействие волнового поля на пласт.

Если первоначальная длина скважины окажется существенно меньше длины, обеспечивающей резонансное воздействие волнового поля на пласт, то ее необходимо выбрать равной длине L_k.

На фиг.1 показана схема продуктивного битумного пласта и 6-я гармоника колебания давления по длине скважины; на фиг.2 показано распределение гармоник поперек пласта.

В таблице 1 приведены значения длины скважин, при которых обеспечиваются резонансные колебания данного пласта.

Из таблицы 1 видно, что с увеличением номера гармоники относительное приращение длины скважины уменьшается; поэтому при больших значениях номеров

Таблица 1Номер гармоники, kДлина скважины L_k, м228347465583610271208138915610175

гармоник длина скважины становится практически непрерывной, т.е. влияние дискретности номера гармоники k исчезает.

Изобретение относится к области геотехнологии добычи углеводородных ископаемых, в частности к способам и режимам воздействия на пласт управляемыми физическими полями, и может быть использовано для повышения нефтеотдачи пластов и интенсификации добычи нефти. Обеспечивает интенсификацию процесса фильтрации пластовой жидкости, а также увеличение коэффициентов охвата и вытеснения за счет повышения эффективности воздействия на продуктивный пласт теплового и волнового полей, содержащего частоты, находящиеся в резонансе с собственными частотами колебаний пласта при оптимальной длине скважины. Сущность изобретения: способ включает бурение скважины и последующее одновременное тепловое воздействие на продуктивный пласт и воздействие волнами давления. Скважину бурят параллельно кровле или подошве пласта. Исследуют акустические свойства системы кровля-пласт-подошва. Определяют собственные частоты колебаний пласта. Определяют акустические характеристики системы кровля-пласт-подошва и одновременно воздействуют теплотой и волнами давления в диапазоне частот, содержащем спектр частот, находящийся в резонансе с собственными частотами колебаний пласта. При этом длину скважины выбирают кратной целому числу волн, направление которых перпендикулярно кровле или подошве пласта, в соответствии с аналитической зависимостью. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ разработки углеводородного месторождения, включающий бурение скважины и последующее одновременное тепловое воздействие на продуктивный пласт и воздействие на него волнами давления, отличающийся тем, что скважину бурят параллельно кровле или подошве, исследуют акустические свойства системы кровля - пласт - подошва, определяют собственные частоты колебаний пласта, определяют акустические характеристики системы кровля - пласт - подошва, а воздействие волнами давления осуществляют в диапазоне частот, резонансных собственным частотам пласта, при этом длину L_k скважины в пласте выбирают кратной целому числу волн, направление распространения которых перпендикулярно кровле или подошве пласта, в соответствии с зависимостью:

где H - средняя толщина пласта, м;

- относительное волновое сопротивление системы кровля - пласт - подошва;

ω _i - собственная частота колебаний пласта;

ω _pi - резонансная частота волн давления;

k=1, 2, 3,... - целые числа - номера гармоник, определяющие длину скважины.

где π =3,14 - постоянная величина;

с - скорость распространения продольных колебаний в пласте, м/с;

i=i_min; i_min+1; i_min+2; i_min+3;... i_max - номера гармоник звуковых волн, направление распространения которых перпендикулярно кровле или подошве пласта;

- минимальное значение номера гармоники, округляемое до большего целого числа;

- максимальное значение номера гармоники, округляемое до большего целого числа;

ω _min, ω _mах - нижняя и верхняя границы диапазона циклических частот, Гц.

где δ - коэффициент затухания системы кровля - пласт - подошва, с^-1;

- относительное волновое сопротивление системы кровля - пласт - подошва,

R - волновое сопротивление пласта, кг/(м²·^с);

R_кр - волновое сопротивление кровли, кг/(м²·^с);

R_n - волновое сопротивление подошвы, кг/(м²·^с);

ρ , ρ _кр, ρ _n - плотность пласта, кровли и подошвы соответственно, кг/м³;

с, с_кр, с_n - скорость распространения продольных колебаний в пласте, кровле и подошве соответственно, м/с.