СПОСОБ ВСКРЫТИЯ И ОБРАБОТКИ ПЛАСТА Российский патент 2007 года по МПК E21B43/24 E21B43/117 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и связано со способами вскрытия прискважинной зоны пласта (ПЗП) и дополнительной стимуляции притоков углеводородного сырья. Способы основаны на использовании в одном устройстве перфораторов с кумулятивными зарядами (КЗ) из взрывчатого вещества, создающими кумулятивные струи, и газогенераторов со сгорающими твердотопливными элементами (ТЭ).

Известны следующие аналоги способа. Способ [1] заключается в установке в обсадную колонну скважины КЗ и одновременно с ними ТЭ с последующим их инициированием. Первые инициировали электродетонатором, вторые - электрозапалом и воспламенительным зарядом. Сначала срабатывают КЗ и выполняют в обсадной колонне перфорационные отверстия, а затем поджигаются ТЭ. При сгорании ТЭ образуются газообразные продукты, которые выжимают скважинную жидкость через перфорационные отверстия, вызывая образование сетки трещин в пласте. В итоге происходит значительный прирост поверхности фильтрации перфорационных каналов.

Недостатком способа является приложение давления через скважинную жидкость, загрязняющую формируемую поверхность фильтрации и снижающую ее проницаемость по сравнению с первоначальным (до обработки) уровнем. КЗ и ТЭ располагаются в разных местах, сборка затруднена.

В способе [2] используют стреляющий аппарат с КЗ и чередующимися с ними ТЭ, опускаемый на геофизическом кабеле. КЗ соединены между собой детонирующим шнуром, а ТЭ - быстрогорящим огнепроводным шнуром. КЗ и ТЭ находятся в скважинной жидкости, корпуса у аппарата нет. Подрыв КЗ проводят после воспламенения ТЭ в процессе их горения или после сгорания. Продукты сгорания, создавая повышенное давление в скважине, усиливают кумулятивный эффект и способствуют повышению воздействия на ПЗП.

Недостатки этого способа те же, что и в способе [1], а также то, что из-за сложности аппарата в целом его применение затруднено. ТЭ могут разрушаться и не срабатывать в скважине при повышенных температурах и давлениях.

Способ [3] основан на применении отдельных блоков, подвешиваемых на кабеле. Этот комплексный аппарат состоит из перфоратора с КЗ и газогенератора с ТЭ. Перфоратор размещают снизу. Срабатывание аппарата происходит при сниженном уровне скважинной жидкости. Выше этого уровня может устанавливаться пакер. Способ позволяет проводить не только перфорацию, но и осуществлять дополнительное термогазохимическое воздействие на ПЗП, вызванное горением ТЭ.

Недостатком технологии является сложность практической ее реализации и недостаточная эффективность прежде всего из-за раздельного размещения перфоратора и газогенератора при отсутствии общего корпуса аппарата.

Способ [4] основан на перфорации скважины и стимулировании притоков нефти и газа устройством, содержащим цилиндрический ТЭ, расположенный вокруг внешней поверхности перфоратора с КЗ. Кумулятивные струи от КЗ вызывают поджигание ТЭ с последующим проникновением газов через перфорационные отверстия и каналы в ПЗП. При выходе газа из породы он очищает канал, удаляя образовавшиеся во время перфорации осколки.

Из-за опасности разрушения ТЭ от кумулятивных струй и ограничений по использованию устройства при высоких температурах или небольших размерах труб, вызванных, например, недостаточной толщиной свода топлива, а также сложностью конструкции, способ является опасным, используется и эффективен не во всех случаях.

Способ [5] включает размещение напротив продуктивного пласта корпусного кумулятивного перфоратора (ККП), содержащего КЗ и примыкающего к нему газогенерирующего канального ТЭ, выполнение перфорационного канала в обсадной колонне и окружающих породах с проникновением в них газов от КЗ и ТЭ. Особенностью способа является инициирование ТЭ с канала кумулятивными струями от КЗ. Вместе с образовавшимися газами в перфорационный канал дополнительно могут перемещать химический реагент и расклинивающие элементы. В способе ничего не сказано о том, как это перемещение будет происходить. Способ сложен прежде всего из-за ограничений по размерам КЗ и ТЭ, а также из-за трудности подбора топлива, разработке технологии изготовления ТЭ и конструкции ТЗ, работающих в ККП совместно в расчетном режиме, а также трудности сборки и практической его реализации.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ заканчивания скважины с использованием ККП с КЗ и ТЭ [6]. По данному способу воздействие на ПЗП осуществляют КЗ, ТЭ и химическим реагентом в стеклянной капсуле. ТЭ и капсула имеют центральный канал, через который проходят кумулятивные струи от КЗ. Они воспламеняют топливо и разрушают капсулу. В качестве химического реагента может использоваться соляная кислота, которая проникает в ПЗП при повышенных температурах и давлениях после кумулятивных струй от КЗ и газов от ТЭ. Она усиливает эффективность обработки продуктивного пласта по сравнению с другими способами-аналогами, но без кислоты.

Однако способ недостаточно эффективен. Расположение КЗ, ТЭ и капсулы на одной оси ограничивает его применение. Он не может быть использован в скважинах малого диаметра, трудно практически реализуем. Воспламенение ТЭ от КЗ нежелательно, так как ТЭ может разрушаться от воздействия кумулятивной струи при высоких температурах, приводя к нерасчетному режиму работы ККП. Кроме того, при такой конструкции КПП не может осуществляться виброволновое воздействие (ВВВ) на ПЗП.

ВВВ является следствием возникновения вибрационного режима горения, обусловленного наличием акустических высокочастотных волн давления в полости цилиндрического канала ТЭ. При ВВВ осуществляется импульсное поступление продуктов сгорания ТЭ в ПЗП. Оно приводит к образованию дополнительных микротрещин и каналов в породах, снижению степени неоднородности ПЗП, уменьшению вязкости жидкости, заполняющей пустоты в породах, и к другим благоприятным для увеличения притоков процессам.

ВВВ в конечном итоге уменьшает максимальное давление, при котором наступает «горячий» гидроразрыв пласта, дополняя термогазохимическое воздействие, и в целом усиливает эффективность обработки скважины.

Если источником появления и перемещения в перфорационный канал химического реагента будет являться само топливо и продукты его сгорания, то необходимость в размещении капсулы с этим реагентом в обсадной колонне отпадет. Способ упростится.

Цель изобретения - повышение эффективности комплексной обработки продуктивного пласта (перфорация и дополнительная стимуляция) аппаратом, включающим корпусной кумулятивный перфоратор и газогенератор, за счет упрощения его конструкции и сборки, улучшения срабатывания и функционирования, а также применения для газогенератора ТЭ определенной формы и состава, сгорающего в вибрационном режиме и выделяющего соляную кислоту, в том числе при высоких давлениях и температурах.

Цель достигается тем, что в известном способе заканчивания скважины, включающем установку в обсадной колонне КЗ из взрывчатого вещества, газогенерирующего заряда из твердого топлива с последующим инициированием кумулятивного и газогенерирующего заряда, выполнение перфорационного канала в обсадной колонне и окружающем продуктивном пласте кумулятивным зарядом и перемещение в перфорационный канал газа, образующегося при сгорании ТЭ, новым является то, что вскрытие и обработку пласта дополняют виброволновым воздействием с солянокислой обработкой и проводят с помощью опускаемого на геофизическом кабеле устройства, включающего ККП, с перфораторной головкой, подключенной к кабельной головке, с загерметизированными боковыми отверстиями или уточненными местами в корпусе, КЗ и наконечником. Плазменная кумулятивная струя при срабатывании каждого из кумулятивных зарядов проходит через боковые отверстия или прожигает утонченные места в корпусе и нарушает его герметизацию. В устройстве дополнительно предусмотрены одна или несколько герметичных воздушных камер с атмосферным давлением, расположенных в различных местах перфоратора, например, на нижнем конце или на концах перфоратора, с расположенным в каждой камере недетонирующим высокопрочным цилиндрическим канальным ТЭ. Отношение длины канала ТЭ к его диаметру составляет (6...28):1. Он изготовлен из термостойкого газогенерирующего состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами - 7...9, трансформаторное масло - 5,60...6,50, дисилицид титана - 0,60...1,50, карбонат стронция - 0,10...0,50, модификатор горения - 0,20...0,30, ароматическая аминокислота - 0,03...0,11, ароматический амин - 0,01...0,06, катализатор отверждения - 0,01...0,1, аммоний хлорнокислый - остальное.

Его инициирование с последующим горением, в том числе и вибрационным, и появлением соляной кислоты в продуктах сгорания топлива происходит от инициатора, соединенного электрическим проводом с кабельной головкой, например, от взрывного патрона, расположенного в канале ТЭ или у его торца, и соединенного с детонирующим шнуром, и/или от продуктов детонации при срабатывании детонирующего шнура, подсоединенного к КЗ, и от самих КЗ.

Способ реализуют с помощью ККП, например, типа ПК-105Э, к которому герметичная воздушная камера с ТЭ может подсоединяться снизу. Наконечник от ПК-105Э можно также использовать, подсоединив его к камере с ТЭ снизу. Между камерами с КЗ и ТЭ устанавливают диски с отверстиями для доставки инициатора, например взрывного патрона типа ПГ-170, к ТЭ, удержания ТЭ в камере и частичного его предохранения от продуктов детонации из ККП. Прокладки между камерами обеспечивают герметизацию устройства. ТЭ имеет специальное сгорающее покрытие, предохраняющее его от воздействия влаги и механических воздействий. Между ТЭ и металлическими частями камеры, с которыми он соприкасается, имеются прокладки, например полиуретановые кольца в кольцевом зазоре между ТЭ и камерой. При нескольких ТЭ в одной камере между ними имеются втулки. В нижней части устройства располагают крешерный прибор для измерения максимального давления, создаваемого его работе.

Вибрационный режим горения, приводящий к ВВВ на пласт в виде упругих волн давления, возникает в полости канала ТЭ после его инициирования и начала горения. Он существует в течение нескольких долей секунды ТЭ в виде высокочастотных акустических волн давления с частотами порядка нескольких килогерц и амплитудами, достигающими 10 МПа. Вибрационный режим обеспечивается только при указанном выше соотношении размеров длины канала элемента к его диаметру в случае использования ТЭ из состава ТГ-1 [7]. При этом вибрационное горение без разрушения ТЭ за счет превышения давления в канале над давлением снаружи элемента будет иметь место при температурах до +150°С и давлениях до 80 МПа. В продуктах сгорания топлива ТГ-1 при взаимодействии хлористого водорода с водой образуется кислотный реагент в виде соляной кислоты в парообразном состоянии, масса ее составляет не менее 20% от массы топлива.

Пример выполнения конкретного способа. Собранное устройство, включающее ККП и подсоединенную к нему снизу герметичную воздушную камеру с ТЭ, имеющим отношение длины канала к его диаметру 24:1 и изготовленного из топлива ТГ-1, опускают в скважину на глубину пять километров, имеющей температуру +150°С. При этом КЗ и ТЭ не соприкасаются со средой, находящейся снаружи ККП. Постепенно, с увеличением глубины температура внутри устройства возрастает до наружной.

После спуска устройства по геофизическому кабелю подают ток к нему. Оно срабатывает. При детонации КЗ образуются плазменные кумулятивные струи, срывающие заглушки с корпуса перфоратора и закрывающие боковые отверстия. Параллельно с этим происходит инициирование ТЭ и последующее его горение, переходящее в вибрационный режим. Из-за разницы во временах срабатывания КЗ и ТЭ горение последнего происходит уже после срыва заглушек, сопровождающегося кратковременными нестационарными изменениями давления и температуры внутри устройства, а также движением жидких и газообразных продуктов. Кумулятивные струи, минуя среду внутри обсадной колонны, пробивают ее и создают каналы в породах. Продукты сгорания ТЭ, содержащие соляную кислоту, из камеры, в которой он находился, через внутреннюю полость устройства и отверстия в корпусе перфоратора и обсадной колонне поступают по перфорационным каналам в ПЗП. При вибрационном горении ТЭ это поступление происходит в высокочастотном импульсном режиме.

В результате всех видов воздействий на обсадную колонну и ПЗП, вызванных кумулятивными струями и продуктами сгорания ТЭ, возникают не только перфорационные каналы, но и создаются новые каналы, трещины и другие структурные изменения пород. При вибрационном горении ТЭ, приводящим к ВВВ на продуктивный пласт, происходит дополнительное встряхивание пород, а также их растворение, благоприятное с точки зрения увеличения притоков из ПЗП. Происходят также соответствующие изменения свойств среды в пустотах пород, вызванные воздействием соляной кислоты. После проникновения продуктов в пласт, по мере уменьшения давления возникает обратное их движение в устройство через отверстия в корпусе. Твердые ингредиенты в виде осколков КЗ, остатков цементного камня, частиц пород и т.п. поступают в камеру, в которой до срабатывания устройства находился ТЭ. Создается дополнительный эффект, очищающий ПЗП.

Техническим результатом заявляемого способа является относительная его простота и быстродействие, совмещение нескольких видов воздействий на обсадную колонну и ПЗП, возможность использования при экстремальных условиях при высоких давлениях и температурах, высокая эффективность, позволяющая значительно увеличить притоки из продуктивного пласта. Способ относительно дешевый, подходит для различных геологических условий. Может использоваться при освоении новых скважин, а также для скважин, функционирующих длительное время, в том числе и для реанимации старых.

Источники информации

1. Бондаренко В.Н. и др. Геофизические и прострелочно-взрывные работы в скважинах. М.: Недра, 1976, с.231-233.

2. Патент США №5355802 от 18.10.94 г. МПК 42В 3/300. Способ и устройство для перфорации скважин и создания трещин в пласте.

3. Патент США №5551344 от 03.09.96 г. МПК 42В 3/300. Способ и устройство для перфорации скважин и создания трещин в пласте.

4. Фельдман И.И. Сборка Stim-Gun и снаряд Stim-Tube компании Owen Oil Tools. Научно-технический вестник «Каротажник», №67, изд. АИС, Тверь, 2000 г.

5. Патент РФ №2119045 от 20.09.1998 г. МПК 6 Е21В 43/117. Способ заканчивания скважины.

6. Патент РФ №2138623 от 29.03. 1999 г. МПК 6 Е21В 43/11. Способ заканчивания скважины - прототип.

7. Патент РФ №2233975 от 4.11.2002 г. МПК 7 Е21В 43/248. Термостойкий газогенерирующий состав для высокопрочных скважинных элементов.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам вскрытия и обработки продуктивного нефтегазового пласта. Обеспечивает повышение производительности скважин. Обеспечивает повышение эффективности комплексной обработки продуктивного пласта за счет упрощения его конструкции и сборки, улучшения срабатывания и функционирования. Сущность изобретения: заключается в установке в обсадной колонне кумулятивного и газогенерирующего заряда из твердого топлива с последующим инициированием кумулятивного и газогенерирующего заряда, выполнение перфорационного канала в обсадной колонне и окружающем продуктивном пласте кумулятивным зарядом и перемещение в перфорационный канал газа, образующегося при сгорании твердотопливного элемента. Вскрытие и обработку пласта дополняют виброволновым воздействием с солянокислой обработкой, которые возникают при вибрационном горении топливных элементов и из-за появления соляной кислоты при взаимодействии хлористого водорода и воды в продуктах сгорания топлива. Способ осуществляют с помощью опускаемого на геофизическом кабеле устройства, включающего корпусной кумулятивный перфоратор, с перфораторной головкой, подключенной к кабельной головке, с загерметизированными боковыми отверстиями или с утонченными местами корпуса, кумулятивными зарядами, наконечником. При срабатывании каждого из кумулятивных зарядов возникает плазменная кумулятивная струя. Она проходит через боковые отверстия или прожигает утонченные места корпуса перфоратора, нарушая его герметизацию. В устройстве дополнительно предусмотрены одна или несколько герметичных воздушных камер с атмосферным давлением, расположенных в различных местах перфоратора. В каждой камере имеется недетонирующий высокопрочный цилиндрический канальный твердотопливный элемент. Он имеет отношение длины канала к его диаметру (6...28):1 и изготовлен из термостойкого газогенерирующего состава при определенном соотношении компонентов.

Способ вскрытия и обработки пласта, включающий установку в обсадной колонне кумулятивного заряда из взрывчатого вещества, газогенерирующего заряда из твердого топлива с последующим инициированием кумулятивного и газогенерирующего зарядов, выполнение перфорационного канала в обсадной колонне и окружающем продуктивном пласте кумулятивным зарядом и перемещение в перфорационный канал газа, образующегося при сгорании твердотопливного элемента, отличающийся тем, что вскрытие и обработку пласта дополняют виброволновым воздействием с солянокислой обработкой и проводят с помощью опускаемого на геофизическом кабеле устройства, включающего корпусной кумулятивный перфоратор с перфораторной головкой, подключенной к кабельной головке, с загерметизированными боковыми отверстиями или утонченными местами в корпусе, кумулятивными зарядами и наконечником, при этом плазменная кумулятивная струя при срабатывании каждого из кумулятивных зарядов проходит через боковые отверстия или прожигает утонченные места в корпусе и нарушает его герметизацию, причем в устройстве дополнительно предусмотрены одна или несколько герметичных воздушных камер с атмосферным давлением, расположенных в различных местах перфоратора, например на нижнем конце или на концах перфоратора, с расположенным в каждой камере недетонирующим высокопрочным цилиндрическим канальным твердотопливным элементом, который имеет отношение длины канала к его диаметру (6...28):1 и изготовлен из термостойкого газогенерирующего состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами - 7...9, трансформаторное масло - 5,60...6,50, дисилицид титана - 0,60...1,50, карбонат стронция - 0,10...0,50, модификатор горения - 0,20...0,30, ароматическая аминокислота - 0,03...0,11, ароматический амин - 0,01...0,06, катализатор отверждения - 0,01...0,1, аммоний хлорнокислый - остальное, причем его инициирование с последующим горением, в том числе и вибрационным, и появлением соляной кислоты в продуктах сгорания топлива происходит от инициатора, соединенного электрическим проводом с кабельной головкой, например от взрывного патрона, расположенного в канале твердотопливного элемента или у его торца и соединенного с детонирующим шнуром, и/или от продуктов детонации при срабатывании детонирующего шнура, подсоединенного к кумулятивным зарядам, и кумулятивных зарядов.