УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТЕРМОГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК E21B28/00 E21B43/263 E21B43/11 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способам и устройствам для интенсификации работы скважин, обеспечивает высокую эффективность за счет циклического применения корпусных газогенерирующих устройств, опускаемых в скважину на геофизическом кабеле, путем создания направленного термогазогидродинамического воздействия на продуктивный пласт в управляемом и контролируемом технологическом режиме при концентрации энергии в перфорированной зоне, оптимизации массы и длины газогенерирующего заряда при скорости увеличения давления в скважине не менее 100 МПа/с для создания импульса давления выше горного с целью раскрытия существующих и создания новых трещин в пласте при регистрации динамики изменения давления автономными цифровыми системами при частоте отсчетов 8,0-10,0 тыс./с с целью документирования и оценки завершенности разрыва пласта по волновым и амплитудным параметрам газогидродинамического процесса в скважине с возможностью локализации интервала трещинообразования по динамике изменения теплового поля.

Известен метод гидравлического разрыва пласта (ГРП), широко применяемый в производственной практике для восстановления и увеличения продуктивности скважин, фильтрационные свойства которых в прискважинной зоне пласта ухудшены в процессе строительства, освоения и эксплуатации. Сущность ГРП заключается в том, что в скважину под высоким давлением, превышающим гидростатическое в 1,5-3,0 раза, закачивают жидкость, в результате чего в прискважинной зоне пласта раскрываются существующие трещины и образуются новые. Для предотвращения смыкания этих трещин в них вводят крупнозернистый песок. В результате продуктивность скважины значительно повышается [1]. Однако, несмотря на эффективность, эта технология высокотрудоемкая, дорогостоящая и не всегда дает ожидаемые результаты.

Изобретение относится к устройствам, использующим режим горения твердых энергоносителей в виде утилизированного ракетного топлива или высокоэнергетических смесевых составов недетонирующего типа. Отечественной промышленностью освоено производство пороховых зарядов различных типоразмеров длиной от 500 до 1800 мм, диаметром от 42 до 100 мм и массой от 2 до 32 кг [1, стр.238]. Эффективность воздействия таких устройств с целью разрыва, термогазохимической обработки продуктивного пласта и оценки завершенности технологического процесса зависит от множества факторов, прежде всего от амплитуды и динамики нарастания и снижения создаваемого в зоне горения импульса давления и общей длительности воздействия, определяющих количество и протяженность создаваемых трещин, от технологического режима и информационного сопровождения производства работ.

Известны многочисленные аналоги устройств - газогенераторы на твердом топливе, опускаемые в скважину на кабеле и отличающиеся конструкцией и возможностями воздействия на пласт, позволяющие в широких пределах изменять динамику увеличения нагрузки на горные породы и создавать напряженное состояние в пласте со скоростью до 10⁴ МПа/с. При ГРП обеспечивается скорость увеличения нагрузки на пласт не более 1 MПa/c.

Известен «Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин» [2]. Поставленная задача изобретения решается тем, что между воспламенительным зарядом и бронированными с внешней поверхности зарядами размещены небронированные трубчатые заряды с большой начальной поверхностью горения. После сгорания всех небронированных зарядов давление несколько уменьшается, а затем снова достигает максимального значения вследствие прогрессивного характера горения бронированных зарядов, обеспечивая увеличение продолжительности силового воздействия на пласт, при этом плавно снижая давление до начального [2].

В качестве недостатка данного газогенератора следует отметить, что для увеличения скорости нарастания давления применены высокоопасные воспламенительные устройства детонационного действия с взрывным патроном и детонирующим шнуром, не обеспечивается требуемая направленность термогазодинамического воздействия и динамика разгрузки пласта для наиболее эффективного достижения поставленной цели; отсутствие информационного сопровождения для контроля и оценки завершенности технологического процесса.

Известен «Заряд бескорпусной секционный для газогидравлического воздействия на пласт» [3]. Устройство состоит из узла воспламенителя и секций заряда, изготовленных из составов, обеспечивающих горение в водной, водонефтяной и кислотной средах, и может иметь одну или несколько воспламенительных секций и оснастку с деталями для сбора секций заряда, пропущенных через центральный канал каждой секции. Оснастка представляет собой составную штангу с конусами-центраторами обтекаемой формы для стягивания и поджатия секций заряда вплотную друг к другу. Секции заряда не имеют защитного покрытия. Это обеспечивает горение по всей поверхности заряда. Конфигурация центрального канала имеет форму с развитой поверхностью горения для обеспечения заданного времени горения и давления для гидроразрыва пласта. Для регистрации параметров давления, температуры во времени и привязки по глубине места установки прибора в скважине по локатору муфт предусмотрен измерительный блок, имеющий электрическую связь с наземным пультом.

К недостаткам, снижающим эффективность применения данного газогенератора, следует отнести отсутствие регламентирующих условий по применению в зависимости от состояния вторичного вскрытия и оценки успешности завершения газогидравлического воздействия на пласт и низкую надежность измерительного блока в гидродинамических условиях при работе газогенератора. Штанговая конструкция крепления газогенерирующих зарядов не обеспечивает требуемой противоаварийной устойчивости, приводит к подбросу и перехлесту кабеля с аварийными осложнениями.

Интересен «Заряд бескорпусной секционный для газодинамического воздействия на пласт» [4], отличающийся от предыдущего заряда [3] наличием проходного полого канала внутри штанг и соединительных муфт вдоль их центральной оси для размещения электрических линий узла воспламенения и электронного блока, закрепляемого на штанге ниже заряда газогенератора. Положительным решением в конструкции газогенератора является размещение электронного блока на штанге ниже заряда, однако наличие проходного канала диаметром 6-8 мм для размещения электрических проводов снижает прочность штанговой оснастки, усложняет монтаж, требует применения многожильных геофизических кабелей, увеличивая при этом аварийность проведения работ, особенно при наборе девяти и более пороховых секций заряда.

Известны «Способы газогидравлического воздействия на пласт» [5, 6], реализующие применение устройства по патенту [4], отличающиеся тем, что для осуществления разрыва пласта проводят несколько последовательных операций воздействия на пласт с регистрацией режима работы заряда и подбором массы секций заряда при первом спуске такой, чтобы обеспечить в интервале обрабатываемого пласта давление, превышающее предел прочности горных пород, для создания трещин в пласте и обеспечения гидродинамической связи со скважиной. Для последующих воздействий определяют массу заряда такой, чтобы обеспечить в интервале обрабатываемого пласта давление, достаточное для развития и углубления трещин, образованных при первом сжигании секций заряда. По изменению амплитудных параметров давления во время горения первого и последующих зарядов судят о характере воздействия на пласт и о реакции призабойной зоны на воздействие.

В способе по патенту [6] при подборе массы сжигаемых зарядов учитывают глубину залегания обрабатываемого пласта, его длину и количество перфорационных отверстий, при этом массу каждого последующего заряда увеличивают путем увеличения длины штанги и заряда.

Основным недостатком приведенных способов газогидравлического воздействия на пласт является отсутствие критериев для оценки завершенности воздействия на пласт и обоснования необходимости продолжения работ. Увеличение массы заряда путем увеличения длины заряда и штанги приводит к повышению аварийности работ.

Известен «Способ газогидравлического воздействия на пласт» [7], включающий проведение глубокопроникающей перфорации, применение устройств по патентам [3] или [4] с обеспечением герметизации сочленений секций заряда и проходных отверстий рассеивателя с целью использования внутренней полости заряда и рассеивателя для размещения вещества, оказывающего одновременно с газодинамическим воздействием дополнительное воздействие для развития и очистки трещин или закрепления их кварцевым песком, для снижения вязкости нефти или увеличения проницаемости пласта пенообразующими составами. Совмещение газодинамического воздействия на пласт с другими методами интенсификации нефтепритока несомненно представляет практический интерес. Однако рекомендуемого патентом объема интенсифицирующих веществ, размещаемого во внутренней полости заряда с учетом реальной возможности доставки в зону пласта через перфорационные отверстия в процессе горения заряда, явно недостаточно для получения ожидаемого результата. Кроме того, заполнение внутренней полости сыпучим или гелеобразным веществом в процессе монтажа заряда в полевых условиях с обеспечением необходимой герметизации торцевых соединений является трудоемким и нетехнологичным.

Известен «Способ газодинамического воздействия на пласт и устройство для его осуществления» [8].

Способ для газодинамического воздействия на пласт, включающий проведение глубокопроникающей перфорации в интервале обрабатываемого пласта, сборку бескорпусного секционного заряда с оснасткой путем пропуска полой составной штанги через центральный канал секций заряда, стягивания и поджатия секций заряда вплотную друг к другу муфтами-центраторами, соединение каротажного кабеля с блоком электроники, сжигание заряда в интервале перфорации, осуществление контроля горения в режиме реального времени и регистрации характеристик режима работы заряда, таких как температура и давление в скважинной жидкости в интервале воздействия на безопасном расстоянии от заряда, отличающийся тем, что осуществляют регистрацию температуры и давления выше зоны горения заряда с частотой 0,5 мс и, дополнительно, регистрацию давления непосредственно в зоне горения заряда, для чего в нижней части блока электроники размещают дополнительный датчик давления, а полую составную штангу против заряда выполняют с радиальным отверстием, по меньшей мере одним, для газогидродинамической связи зоны горения заряда через полость составной штанги и ее радиальное отверстие с зоной размещения дополнительного датчика давления, при этом по максимальным значениям давлений, измеренным выше зоны горения заряда и непосредственно в зоне горения, разнице этих давлений оценивают энергию импульса давления, затраченную на разрыв пласта, и энергию импульса давления, попавшего в ствол скважины, сопоставляют эти данные и по подъему и спаду давлений и температуры судят об эффективности воздействия на пласт - осуществленном или неосуществленном локальном разрыве пласта, оценивают необходимость повторного воздействия на пласт и необходимую для этого энергию, при повторном воздействии и регистрации вышеупомянутых параметров оценивают изменение этих параметров от одного воздействия к другому и характер этих изменений, по которым судят об увеличении радиуса локального разрыва пласта и необходимости проведения последующих воздействий на пласт.

Способ предусматривает локализацию интервала воздействия на обрабатываемый пласт путем использования в оснастке заряда против выбранного интервала зоны перфорации муфт-центраторов, близких к внутреннему диаметру обсадной колонны.

К недостаткам данного способа следует отнести сложность оценки эффективности воздействия на пласт и осуществления локального разрыва пласта по регистрируемым параметрам давления и температуры с помощью предлагаемого электронного блока с отдельной линией электросвязи с наземным блоком и гидравлических каналов для дополнительных датчиков, недостаточную частоту проведения замеров; наличие внутреннего осевого канала в штангах снижает их прочность и при увеличении диаметра муфт-центраторов при штанговой конструкции газогенератора непременно приводит к сложным аварийным ситуациям; несовершенство монтажа электровоспламенительной системы вызывает частые отказы; устройство и способ не предусматривают возможность применения в наклонных и горизонтальных скважинах.

Близким аналогом изобретения является «Устройство с пороховым зарядом для стимуляции скважин и способ его осуществления» [9]. Устройство с пороховым зарядом для стимуляции скважин, содержащее соединенный с геофизическим кабелем пороховой заряд, состоящий из твердотопливных элементов, выполненных из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, отличающееся тем, что твердотопливные элементы заряда закреплены на грузонесущем тросе, проходящем по центральным каналам или снаружи твердотопливных элементов, зазоры между которыми закрыты сгораемыми втулками, кроме того, твердотопливные заряды заключены в защитный кожух, а узел воспламенения выполнен в виде спирали накаливания, вмонтированной в один из твердотопливных элементов, или расположен с воспламенительным патроном вблизи геофизического кабеля, причем между геофизическим кабелем и зарядом имеется предохранительная штанга. Роль защитного кожуха может выполнять отрезок насосно-компрессорной трубы либо сами сгораемые втулки между зарядами.

Спираль накаливания устанавливают в кольцевой зазор на наружной поверхности твердотопливного заряда и заливают термостойким герметиком для предотвращения контакта спирали со скважинной жидкостью. Отходящие от спирали электрические провода изолированы от жидкости. Концы проводов соединяют с жилами геофизического кабеля и места соединений изолируют при сборке устройства перед спуском в скважину.

Устройство с обычным геофизическим кабелем применимо только для вертикальных скважин. Использование устройства с геофизическим кабелем по Патенту РФ №2105326 [10] в отличие от обычных кабелей обладает высокой прочностью (120…230 кН) и достаточно высокой жесткостью для продвижения твердотопливного заряда с оснасткой в горизонтальные участки скважин. Этот кабель состоит из трех и более изолированных токоведущих жил, покрытых двумя или тремя парами слоев брони с противоположно направленными повивами проволок в каждой паре, причем вторая и третья пара слоев брони изготовлены из проволоки, диаметр которой в 1,3…2,5 раза больше диаметра проволок первой пары слоев брони, при этом поверх каждой пары нанесено под давлением покрытие из пластичного клеящего материала, заполняющего промежутки между проволоками брони. Внешний диаметр кабеля прокалиброван по всей длине в диапазоне 15…32 мм.

К недостаткам устройства следует отнести сложность и несовершенство конструкции оснастки, отсутствие информационного сопровождения гидродинамического процесса работы устройства с пороховым зарядом, что исключает возможность оценки эффективности воздействия на пласт. Крешерный прибор, примененный для измерения максимального давления, не пригоден для решения этой задачи.

Известно «Устройство для перфорации и разрыва пласта» [15] корпусного типа, отличающееся тем, что для одновременного осуществления прострела стенок скважины и разрыва пласта оно выполнено отдельными секциями с кумулятивными зарядами и пороховыми камерами, в которых размещены пороховые заряды, воспламеняющиеся последовательно от электровоспламенителей замедленного действия. Для ограничения зоны давления пороховых газов в нем применены пакеры с резиновыми манжетами, разжимаемыми кольцевыми поршнями под давлением пороховых газов. Данное устройство с помощью манжетных пакерующих систем, работающих в автоматическом режиме, предусматривает возможность направленного воздействия пороховыми газами на продуктивный пласт через открывшиеся отверстия перфораторной секции.

К недостаткам данного устройства следует отнести сложность конструкции и отсутствие информационного обеспечения для контроля технологического процесса и оценки эффективности газодинамического разрыва пласта.

Наиболее близким аналогом изобретения является «Устройство и способ газогидродинамического разрыва продуктивных пластов для освоения трудноизвлекаемых запасов (варианты)» [16]. В устройствах по данному изобретению для газодинамического разрыва продуктивных пластов нефтегазовых скважин в качестве грузонесущей основы для установки газогенерирующих элементов с электрическим воспламенителем, обеспечивающих в процессе горения скорость увеличения давления не менее 100 МПа/с при достижении максимального давления в 2…4 раза выше гидростатического с регистрацией динамики изменения давления автономным цифровым манометром в режиме реального времени с дискретностью 7,0…10,0 тыс. измерений в секунду, используется цельнометаллическая штанга или геофизический кабель многослойной конструкции со степенью свободы от 1…3° до 10…15° для обеспечения продвижения газогенератора не только в вертикальные, но в наклонно направленные и горизонтальные скважины с помощью геофизического кабеля многослойной конструкции с изменяющейся удельной плотностью по длине и разрывной прочностью 100…250 кН при диаметре 12…28 мм.

С помощью данных устройств осуществляется способ газодинамического разрыва продуктивных пластов при обеспечении поверхности вскрытия пласта перфорационными каналами до 2000 см²/м с привязкой расположения газогенератора к геологическому разрезу гамма-методом и последующим циклическим газодинамическим воздействием в управляемом и контролируемом режиме при наибольшей концентрации энергии в перфорированной зоне за счет оптимизации массы и длины газогенерирующего заряда для создания импульса давления в 1,4…3 раза выше давления разрыва пласта с последующим формированием депрессионно-репрессионного волнового процесса в инфразвуковом частотном диапазоне для вовлечения в разработку тупиковых (застойных) нефтенасыщенных участков, при регистрации динамики изменения давления автономными цифровыми системами для документирования и оценки завершенности разрыва пласта по волновым и амплитудным показателям газодинамического процесса.

В качестве недостатка данных устройств следует отметить высокий уровень аварийных осложнений при работе в вертикальных скважинах с серийными геофизическими кабелями с разрывной прочностью до 60 кН вследствие подброса и навязывания узлов на кабеле и высокую вероятность самовоспламенения газогенерирующих зарядов в результате трения при спуске в наклонных скважинах.

Близким аналогом изобретения является скважинный аппарат для разрыва пласта - пороховой генератор давления корпусной АСГ105К [17]. Основной его частью являются камеры сгорания, в которых размещены пороховые заряды. Поджигание пороховых зарядов осуществляется при помощи воспламенителя. Истечение пороховых газов из камер сгорания в скважину происходит через конические сопла и боковые окна переходника. К нижней части аппарата присоединен корпусной кумулятивный перфоратор, с помощью которого простреливаются каналы в стенках скважины перед разрывом пласта. Для контроля величины давления в камере сгорания и в стволе скважины применяются крешерные приборы, основанные на измерении величины деформации их для оценки величины давления.

Основные детали аппарата изготавливают из высокопрочных сталей при обеспечении высоких требований герметичности для работы в скважинных условиях. Аппарат рассчитан на работу с трехжильным бронированным кабелем, одна жила которого используется для инициирования перфоратора и воспламенения пороховых зарядов, а две других - для воспламенения аварийного заряда в кабельной головке для освобождения кабеля от аппарата в случае его прихвата.

К недостаткам АСГ105К следует отнести сложность и несовершенство конструкции сопловых систем, приводящее к сильным ударным воздействиям и обрывам кабеля, и отсутствие информационного обеспечения для контроля технологического процесса.

Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции корпусного газогенератора на твердом топливе и способа проведения термогазогидродинамического воздействия на продуктивный пласт в управляемом и контролируемом режиме для раскрытия существующих и создания новых трещин при естественном закреплении их частицами разрушенной горной породы с целью вовлечения в разработку нефтесодержащих зон с неподвижной нефтью, освоение которых существующими методами не удается.

Поставленная задача решается тем, что для термогазогидродинамического разрыва пласта нефтегазовых скважин применяется устройство корпусного типа, включающее геофизический кабель для спуска устройства, состоящее из кабельной головки, блока дистанционного контроля с приборной головкой, переводника, корпуса для размещения газогенерирующего заряда и манометрического блока, отличающееся тем, что газогенерирующий заряд представлен высокоэнергетическим топливным составом в виде шашек с внешним диаметром 36…70 мм при длине 300…1500 мм с осевым каналом диаметром 5…28 мм с электрическим воспламенителем, обеспечивающими в процессе горения увеличение давления со скоростью не менее 100 МПа/с при гидростатическом давлении 5-35 МПа, установлен в корпусе разгруженного типа с каналами площадью до 70% боковой поверхности камеры сгорания, с торцевыми переходниками, выполняющими роль концентраторов направленного термогазодинамического воздействия на обрабатываемый продуктивный пласт при скорости увеличения давления в процессе горения заряда не менее 100 МПа/с, с эффективностью динамического воздействия в 1,9…2,8 раза выше бескорпусных газогенераторов для достижения максимального давления в 3-4 раза выше гидростатического с регистрацией динамики изменения давления и температуры автономными цифровыми приборами в режиме реального времени с дискретностью 8,0…10,0 тыс. измерений в секунду при доставке в интервал продуктивного пласта с помощью геофизического кабеля многослойной конструкции диаметром от 8 до 32 мм, обеспечивающего не только спуск устройства в вертикальную скважину, но продвижение его в наклонно направленные и горизонтальные скважины [10, 11, 12].

Для термогазогидродинамического воздействия на пласт применены твердотопливные газогенерирующие элементы из утилизированных пороховых изделий и высокоэнергетических смесевых составов недетонирующего типа в виде шашек с внешним диаметром 36…70 мм при длине 300…1500 мм с осевым каналом диаметром 5…28 мм и температурой горения 2500-3000°С, позволяющих в процессе горения обеспечить требуемую концентрацию энергии пороховых газов для разрыва пласта и прогрева прискважинной зоны до 250-350°С с целью наиболее глубокого проникновения продуктов горения, расплавления и последующего извлечения асфальтосмолопарафиносодержащих отложений.

Подсоединение корпусного газогенератора к геофизическому кабелю для доставки в скважину осуществляется с помощью стандартных муфтовых соединений. Информационное обеспечение термогазогидродинамического разрыва пласта осуществляется с помощью блока дистанционного контроля и автономных цифровых приборов, обеспечивающих регистрацию диаграмм давления и температуры в режиме реального времени с дискретностью до 10,0 тыс. отсчетов в секунду, отражающих амплитудные, волновые и температурные параметры термогазогидродинамического процесса, по которым оценивается эффективность разрыва пласта. Размещение автономных приборов может производиться в корпусе регистрационного блока ниже газогенератора или в переводнике выше него.

Работы по термогазогидродинамическому разрыву пласта рекомендуется производить на геофизическом кабеле с разрывной прочностью (120…250 кН) и достаточно высокой жесткостью для продвижения газогенератора в горизонтальные участки скважин и предотвращения аварийных ситуаций. Этот кабель состоит из трех и более изолированных токоведущих жил, покрытых двумя или тремя парами слоев брони с противоположно направленными повивами проволок в каждой паре, причем вторая и третья пара слоев брони изготовлены из проволоки, диаметр которой в 1,3…2,5 раза больше диаметра проволок первой пары слоев брони, при этом поверх каждой пары нанесено под давлением покрытие из пластичного клеящего материала, заполняющего промежутки между проволоками брони. Внешний диаметр кабеля прокалиброван по всей длине в диапазоне 12…28 мм, причем на участке грузодвижущей части кабеля, предназначенном для работы в наклонном и горизонтальном участках скважины, начиная со второго или третьего слоя брони, до 75% проволок отсечены с равномерным смещением мест отсечения по длине участка при переходе от нижнего слоя к верхнему, а оставшиеся проволоки образуют армирующий каркас для полимерных оболочек со снижением удельной плотности кабеля на данном участке до 30%, причем в верхнем слое брони проволоки могут быть уложены без отсечения по всей длине кабеля с равномерными промежутками между проволоками с уменьшением до 50% плотности укладки проволок в слое, при этом промежутки между проволоками заполнены полимерным материалом в процессе нанесения внешней полимерной оболочки [10, 11, 12].

Согласно заявляемым вариантам устройства технический результат достигается тем, что применен способ термогазогидродинамического разрыва продуктивного пласта нефтегазовых скважин, включающий установку корпусного газогенератора на геофизическом кабеле с привязкой к геологическому разрезу гамма-методом в интервале продуктивного пласта, вскрытого перфорацией, приведение газогенератора в действие и создание термогазодинамического импульса, отличающийся тем, что оценивается качество вторичного вскрытия продуктивного пласта и при поверхности вскрытия пласта перфорационными каналами менее 1000 см²/м перфорированного интервала производится дополнительная перфорация кумулятивными или сверлящими перфораторами для обеспечения поверхности вскрытия пласта перфорационными каналами до 2000 см²/м и более с последующим циклическим воздействием на продуктивный пласт путем неоднократного спуска корпусного газогенератора в интервал продуктивного пласта при последовательном увеличении массы заряда для термогазогидродинамического воздействия в управляемом и контролируемом режиме с обеспечением наибольшей концентрации энергии пороховых газов и прогрева до 250-350°С перфорированной зоны при скорости увеличения давления в скважине более 100 МПа/с для создания импульса давления выше прочности горных пород с целью раскрытия существующих и образования новых трещин в пласте при естественном закреплении их частицами горной породы в результате необратимой деформации ее [13] с формированием депрессионно-репрессионного волнового процесса в инфразвуковом частотном диапазоне для обеспечения вовлечения в разработку тупиковых (застойных) нефтенасыщенных участков без нарушения цементной крепи и эксплуатационной колонны с оценкой завершенности термогазогидродинамического разрыва пласта по амплитудным параметрам и времени затухания волнового процесса с возможностью локализации интервала трещинообразования по динамике изменения теплового поля. Известно, что циклическая динамика нагружения горных пород импульсами давления наиболее эффективна для снижения прочности пород, их разрыва, раскрытия и создания новых трещин [14, стр.179].

Эффективность воздействия на пласт в значительной мере определяется гидродинамическим совершенством скважины. Известно, что при суммарной площади перфорационных отверстий более 25% общей поверхности трубы импульс давления через интервал перфорации проходит беспрепятственно. Уменьшение суммарной площади ниже указанного значения заметно трансформирует импульс давления по абсолютной величине и характеру воздействия. Гидродинамическое совершенство вскрытия пласта зависит не только от плотности перфорации, но и от глубины перфорационных каналов, расположения их по колонне, типа коллектора и других факторов [14, стр.174]. Поэтому до газогидродинамического воздействия производится оценка качества вторичного вскрытия продуктивного пласта по плотности перфорации и по поверхности вскрытия и, при поверхности вскрытия пласта перфорационными каналами менее 1000 см²/м перфорированного интервала, производится дополнительная перфорация кумулятивными или сверлящими перфораторами для увеличения поверхности вскрытия пласта до 2000 см²/м и более.

Управление режимом циклического воздействия предусматривает последовательное увеличение массы заряда корпусного газогенератора на 25…75% в зависимости от горно-геологических условий и технического состояния скважины при наибольшей концентрации энергии пороховых газов температуры в перфорированной зоне пласта за счет корпусной конструкции газогенератора, обеспечивая оптимизацию массы и длины газогенерирующего заряда, уменьшение отрицательного воздействия на эксплуатационную колонну, повышение технологичности, безопасности и противоаварийной устойчивости проведения работ.

В корпусном газогенераторе для направленного термогазодинамического воздействия применены концентраторы в виде специальных переходников, расположенных по его торцам. Для выхода газообразных продуктов из камеры сгорания в корпусе предусмотрены каналы общей площадью до 70% от ее внутренней поверхности. Эффективность газодинамического воздействия корпусного газогенератора давления по сравнению с бескорпусным определяется конструктивными параметрами концентраторов энергии, ограничивающих ее распространение за пределы продуктивного пласта по оси скважины.

В устройстве термогазодинамического разрыва продуктивных пластов нефтегазовых скважин по первому варианту корпусные секции изготавливаются из труб с внешним диаметром 89 мм с толщиной стенки 9…11 мм и торцевыми переходниками диаметром 105 мм.

В устройстве по второму варианту корпусные секции изготавливаются из труб с внешним диаметром 73 мм с толщиной стенки 5,5…8 мм и торцевыми переходниками диаметром 82 мм.

Информационный блок, примененный в корпусном газогенераторе, при работе с геофизическим кабелем позволяет в едином технологическом цикле решать следующие задачи:

- контроль за изменением уровня жидкости в стволе скважины до и после работы газогенератора;

- определение величины и динамики изменения давления в скважине в процессе работы газогенератора в режиме реального времени;

- привязка к геологическому разрезу расположения газогенератора по гамма-методу;

- выделение и локализация интервала трещинообразования по динамике изменения теплового поля, регистрируемого автономным термометром с одновременной записью гамма-каротажа;

- оценка эффективности и завершенности разрыва пласта по волновым и амплитудным параметрам газодинамического процесса при работе газогенератора.

Применение утилизированных пороховых изделий и высокоэнергетических смесевых составов недетонирующего типа на основе перхлората или нитрата калия и других газогенерирующих композиций, обеспечивающих в процессе горения высокие скорости увеличения давления и разгрузки горных пород при циклической динамике воздействия регулируемой величиной заряда, обеспечивает уверенное раскрытие существующих и создание новых трещин в продуктивном пласте, отражаясь на затухании регистрируемого гидроволнового процесса. Время затухания в диапазоне 10…40 с, соответствующее 1…3 периодам колебаний, принято в качестве основного показателя завершения процесса термогазогидродинамического разрыва пласта. Показатель раскрытия трещин по снижению величины давления принят на уровне 80% от максимальных значений. Выделение и локализация интервала трещинообразования осуществляются по термограмме, зарегистрированной автономным цифровым термометром.

Физическая сущность термогазогидродинамического разрыва продуктивного пласта обусловлена высокоскоростным увеличением давления и температуры в зоне перфорированного интервала продуктивного пласта с достижением максимального давления в 2…4 раза выше гидростатического с длительностью действия до 1-2 с для раскрытия существующих и создания новых трещин, при последующем высокоскоростном снижении давления для необратимого разрушения матрицы горных пород и естественного закрепления трещин с формированием депрессионно-репрессионного волнового процесса с импульсами депрессии от 10 до 0,1 МПа и импульсами репрессии от 9 до 0,1 МПа в инфразвуковом частотном диапазоне, с извлечением расплавленных асфальтосмолопарафиносодержащих отложений, обеспечивая вовлечение в разработку тупиковых (застойных) нефтенасыщенных участков, освоение которых существующими технологиями не удается.

Динамика газодинамического воздействия на продуктивный пласт представлена на фиг.1.

Как следует из описания сущности изобретения, для обеспечения высокой продуктивности работы нефтегазовых скважин с вовлечением в разработку нефтесодержащих зон с неподвижной нефтью применены твердотопливные газогенерирующие заряды в корпусных газогенераторах давления с широкими функциональными возможностями по концентрации термогазодинамической энергии и температуры в интервале продуктивного пласта при оптимизации массы и длины заряда для создания высокоскоростного импульса давления, кратно превышающего давление, необходимого для разрыва горных пород и создания новых трещин при последующем высокоскоростном снижении давления для разрушения матрицы горных пород и формирования депрессионно-репрессионного волнового процесса в комплексе с циклическим режимом выполнения работ и высокоэффективными средствами информационного обеспечения и доставки этих устройств в скважины с зенитным углом до 90 градусов и более.

Устройство корпусного газогенератора давления изображено на фиг.2. Оно состоит из геофизического кабеля многослойной конструкции 1, кабельного наконечника 2, блока дистанционного контроля 3, приборной головки 4, муфты 5, переводника 6, корпусных секций 8 с торцевыми переходниками 7 и 14, выполняющими роль концентраторов термогазодинамической энергии и соединителей с переводником 6 и корпусом автономного регистрационного блока 15 с заглушкой 16. Корпусные секции соединяются муфтой 13. Твердотопливные газогенерирующие шашки 12 с электрическим воспламенителем 11 и электромагистралью 9 установлены в корпусных секциях 8, имеющих сквозные окна 10 для выхода пороховых газов.

Для изготовления корпусных деталей газогенератора применяются высокопрочные трубы нефтяного сортамента с использованием конусных резьбовых соединений, обеспечивающих необходимую прочность и износоустойчивость.

В устройстве термогазодинамического разрыва продуктивных пластов нефтегазовых скважин по первому варианту корпусные секции 8 изготавливаются из труб с внешним диаметром 89 мм с толщиной стенки 9…11 мм и торцевыми переходниками 7, 14 диаметром 105 мм.

В устройстве по второму варианту корпусные секции изготавливаются из труб с внешним диаметром 73 мм с толщиной стенки 5,5…8 мм и торцевыми переходниками 7, 14 диаметром 82 мм.

Подготовка устройства к работе производится в следующей последовательности.

Производится подготовка нижней корпусной секции 8, соответствующей размещению расчетного количества выбранного типа газогенерирующих шашек 12. К нижнему торцу секции 8 подсоединяется с помощью переходника 14 корпус автономного регистрационного блока 15, в который устанавливаются автономные регистрирующие приборы, закрывающийся заглушкой 16. Снаряжение генератора давления газогенерирующими шашками 12 производится путем их размещения в корпусных секциях 8, соединяемых муфтой 13, с размещением электрического воспламенителя 11 между верхней и нижерасположенной шашкой с пропуском электромагистрали 9 от воспламенителя по сквозному каналу верхней шашки через переходник 7 и переводник 6 к приборной головке 4, к которой подсоединяется блок информационного контроля 3. К геофизическому кабелю 1 компоновка корпусного газогенератора в сборе подсоединяется с помощью кабельного наконечника 2. В таком виде устройство опускается в скважину.

Устройство работает следующим образом. При спуске устройства контролируется уровень жидкости в скважине, производится привязка расположения газогенератора к геологическому разрезу и установка его в требуемый интервал обработки с помощью датчиков блока дистанционного контроля 3. После установки устройства подается электрический ток по геофизическому кабелю 1 через кабельный наконечник 2 и блок дистанционного контроля 3 с помощью электромагистрали 9 на электрический воспламенитель 11 для поджига газогенерирующих шашек 12, в результате горения которых создается импульс высокого давления и температуры в зоне расположения устройства в скважине.

При использовании устройства реализуется способ термогазогидродинамического разрыва продуктивного пласта в вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважинах. Устройство устанавливается в намеченный интервал обработки. В соответствии с принципом работы устройства создают циклическое воздействие на продуктивный пласт путем последовательного спуска корпусного газогенератора в интервал продуктивного пласта при увеличении массы заряда для воздействия в управляемом режиме с обеспечением наибольшей концентрации термогазодинамической энергии в перфорированной зоне посредством корпусных концентраторов и оптимизации массы и длины газогенерирующего заряда для создания импульса давления выше прочности горных пород с целью раскрытия существующих и образования новых трещин в пласте при естественном закреплении их частицами разрушенной горной породы, с последующим формированием депрессионно-репрессионного волнового процесса в инфразвуковом частотном диапазоне для вовлечения в разработку тупиковых (застойных) нефтенасыщенных участков, с оценкой завершенности разрыва пласта и локализацией интервалов трещинообразования по амплитудным, волновым и температурным параметрам термогазогидродинамического процесса, зарегистрированным автономными цифровыми приборами.

В приложении 1 приведены результаты испытания технологии термогазогидродинамического разрыва пласта в скважине «А». В этой скважине проведено дополнительное вскрытие продуктивного интервала перфоратором КПО-102 в количестве 54 отверстий для обеспечения совокупной поверхности вскрытия более 2100 см²/м, проведен контрольный замер давления и температуры в скважине и трехцикловая обработка корпусным газогенератором давления с газогенерирующими зарядами массой 9, 15 и 21 кг. По всем циклам зарегистрированы диаграммы давления и температуры в режиме реального времени. На контрольном замере зафиксированы давление и температура в зоне продуктивного пласта до термогазогидродинамического воздействия, составляющие 14,0 МПа и 35,7°С соответственно. При реализации трехциклового режима воздействия зарегистрированы следующие показатели: 1 цикл (масса заряда 9 кг) Р=54 МПа, Т=89,3°С; 2 цикл (масса заряда 15 кг) Р=61,3 МПа, Т=90,87°С; 3 цикл (масса заряда 21 кг) Р=71,6 МПа, Т=107,8°С. Регистрируемые амплитудный и температурный параметры, отражающие динамику термогазогидродинамического процесса, используются при обработке интерпретации получаемых результатов. В данной скважине разрыв пласта однозначно проявился только на третьем цикле при давлении более 70 МПа, по времени затухания волнового процесса, составившему 30 с.

Приведенные результаты промысловых испытаний подтверждают существенное превосходство технических и технологических решений заявляемого изобретения над известными аналогами.

Источники информации

1. Добыча нефти и газа. Учебное пособие / Абдуллин Ф.С. М., Недра - 1983, с.216-223, 238.

2. Патент РФ №2175059 С2, 7 Е21В 43/263. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин. Крощенко В.Д., Грибанов Н.И., Гайворонский И.Н. и др. Заявл. 06.10.1999. Опубл. 20.10.2001. Бюл. №29.

3. Патент РФ №2178072 С1, 7 Е21В 43/263. Заряд бескорпусной секционный для газогидравлического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Газизов Ф.М., Ефанов Н.М., Державец А.С. и др. Заявл. 23.10.2000. Опубл. 10.01.2002. Бюл. №1.

4. Патент РФ №2183740 С1, 7 Е21В 43/263. Заряд бескорпусной секционный для газодинамического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Газизов Ф.М., Ефанов Н.М., и др. Заявл. 22.08.2001. Опубл. 20.06.2002. Бюл. №17.

5. Патент РФ №2183741 С1, 7 Е21В 43/263. Способ газогидравлического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Ефанов Н.М. и др. Заявл. 31.08.2001. Опубл. 20.06.2002. Бюл. №17.

6. Патент РФ №2187633 С1, 7 Е21В 43/263. Способ газогидравлического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Ефанов Н.М. и др. Заявл. 28.08.2001. Опубл. 20.08.2002. Бюл. №23.

7. Патент РФ №2278252 С2, МПК Е21В 43/263. Способ газогидравлического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Падерина Н.Г. и др. Заявл. 29.07.2004. Опубл. 20.06.2006. Бюл. №17.

8. Патент РФ №2345215 С1, МПК Е21В 43/263. Способ газодинамического воздействия на пласт и устройство для его осуществления. Падерин М.Г., Падерина Н.Г. Заявл. 27.11.2007. Опубл. 27.01.2009. Бюл. №3.

9. Патент РФ №2311530 С1, МПК Е21В 43/263. Устройство с пороховым зарядом для стимулирования скважин и способ его осуществления. Романович А.П., Пелых Н.М., Корженевский А.Г. и др. Заявл. 27.02.2006. Опубл. 27.11.2007. Бюл. №33.

10. Патент РФ №2105326 С1, 6 G01V 1/40, 3/18. Геофизический кабель для исследования наклонных и горизонтальных скважин и способ исследования этих скважин. Корженевский А.Г., Корженевский А.А. и др. Заявл. 20.01.97. Опубл. 20.02.98. Бюл. №5.

11. Патент РФ №2138834 С1, 6 G01V 1/40, 3/18. Геофизический кабель (варианты) и способ исследования скважин. Корженевский А.Г., Корженевский А.А., Корженевская Т.А. Заявл. 25.12.98. Опубл. 27.09.99. Бюл. №27.

12. Патент РФ №2209450 С1, 7 G01V 1/52, 3/18, Н01В 7/18. Грузонесущий геофизический кабель (варианты) и способ исследования наклонных и горизонтальных скважин. Корженевский А.Г., Корженевский А.А., Корженевская Т.А. Заявл. 14.01.2002. Опубл. 27.07.2003. Бюл. №21.

13. Деформации горных пород. Издательство «Недра», Москва, 1966. С.49-66.

14. Интенсификация добычи вязкой нефти из карбонатных коллекторов. Авторы: Кудинов В.И., Сучков Б.М. Москва, «НЕДРА», 1994. С.174.

15. Изобретение №202822, кл.5а, 41, МПК Е 21b, УДК 622.276 (088.8). Устройство для перфорации и разрыва пласта. Б.М Беляев, Е.М. Вицени, Ю.П.Желтов, В.Н. Крылов и С.И. Николаев. Заявл. 06.03.1962 (№767941/26-25). Опубл. 28.09.1967. Бюл. №20.

16. Патент РФ на изобретение №2442887 С1, МПК Е21В 43/263. Устройство и способ газогидродинамического разрыва продуктивных пластов для освоения трудноизвлекаемых запасов (варианты). Корженевский А.Г., Корженевский А.А., Корженевская Т.А., Корженевский А.А. Заявка 2010135814/03 от 30.08.2010 г. Опубликовано 20.02.2012 г. Бюл. №5.

17. Прострелочные и взрывные работы в скважинах / Н.Г.Григорян и др., М., Недра. - 1972. С.132-135.

18. Промысловые испытания устройства и способа по заявленному изобретению. Приложение 1.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способам и устройствам для интенсификации работы скважин. Устройство для термогазогидродинамического разрыва продуктивного пласта нефтегазовых скважин содержит геофизический кабель с кабельной головкой и состоит из блока дистанционного контроля с гамма-датчиком, приборной головки, переводника, корпуса для размещения газогенерирующего заряда и автономного регистрационного блока. Газогенерирующий заряд высокоэнергетического твердотопливного состава недетонирующего типа выполнен в виде шашек с внешним диаметром 36-70 мм при длине 300-1500 мм с осевым каналом диаметром 5-28 мм с электрическим воспламенителем. При этом заряд установлен в корпусе диаметром 89 мм со стенкой толщиной 9-11 мм и каналами для выхода газов площадью до 70% цилиндрической поверхности корпуса с торцевыми переходниками диаметром 105 мм. Переходники выполняют роль концентраторов направленного термогазодинамического воздействия на обрабатываемый продуктивный пласт с эффективностью динамического воздействия, кратно превышающей бескорпусные газогенераторы. Регистрируют динамику изменения давления и температуры автономными цифровыми приборами в режиме реального времени с дискретностью 8,0-10,0 тыс. измерений в секунду. При этом для повышения противоаварийной устойчивости и обеспечения продвижения газогенератора в скважины с зенитным углом до 90° и более применен геофизический кабель многослойной конструкции диаметром 8-28 мм с разрывной прочностью 60-250 кН. Техническим результатом является повышение эффективности вовлечения в разработку тупиковых (застойных) нефтенасыщенных участков. 3 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 прил.

1. Устройство для термогазогидродинамического разрыва продуктивного пласта нефтегазовых скважин, включающее геофизический кабель с кабельной головкой и состоящее из блока дистанционного контроля с гамма-датчиком, приборной головки, переводника, корпуса для размещения газогенерирующего заряда и автономного регистрационного блока, отличающееся тем, что газогенерирующий заряд высокоэнергетического твердотопливного состава недетонирующего типа в виде шашек с внешним диаметром 36-70 мм при длине 300-1500 мм с осевым каналом диаметром 5-28 мм с электрическим воспламенителем установлен в корпусе диаметром 89 мм со стенкой толщиной 9-11 мм и каналами для выхода газов площадью до 70% цилиндрической поверхности корпуса с торцевыми переходниками диаметром 105 мм, выполняющими роль концентраторов направленного термогазодинамического воздействия на обрабатываемый продуктивный пласт с эффективностью динамического воздействия, кратно превышающей бескорпусные газогенераторы, при скорости увеличения давления в процессе горения заряда не менее 100 МПа/с для достижения максимального давления в 3-4 раза выше гидростатического с регистрацией динамики изменения давления и температуры автономными цифровыми приборами в режиме реального времени с дискретностью 8,0-10,0 тыс. измерений в секунду, при этом для повышения противоаварийной устойчивости и обеспечения продвижения газогенератора в скважины с зенитным углом до 90° и более применен геофизический кабель многослойной конструкции диаметром 8-28 мм с разрывной прочностью 60-250 кН.

2. Устройство для термогазогидродинамического разрыва продуктивного пласта нефтегазовых скважин, включающее геофизический кабель с кабельной головкой и состоящее из блока дистанционного контроля с гамма-датчиком, приборной головки, переводника, корпуса для размещения газогенерирующего заряда и автономного регистрационного блока, отличающееся тем, что газогенерирующий заряд высокоэнергетического твердотопливного состава недетонирующего типа в виде шашек с внешним диаметром 36-55 мм при длине 300-1500 мм с осевым каналом диаметром 5-12 мм с электрическим воспламенителем установлен в корпусе диаметром 73 мм со стенкой толщиной 5,5-8 мм и каналами для выхода газов площадью до 70% цилиндрической поверхности корпуса с торцевыми переходниками диаметром 82 мм, выполняющими роль концентраторов направленного термогазодинамического воздействия на обрабатываемый продуктивный пласт с эффективностью динамического воздействия, кратно превышающей бескорпусные газогенераторы, при скорости увеличения давления в процессе горения заряда не менее 100 МПа/с для достижения максимального давления в 3-4 раза выше гидростатического с регистрацией динамики изменения давления и температуры автономными цифровыми приборами в режиме реального времени с дискретностью 8,0-10,0 тыс. измерений в секунду, при этом для повышения противоаварийной устойчивости и обеспечения продвижения газогенератора в скважины с зенитным углом до 90° и более применен геофизический кабель многослойной конструкции диаметром 8-28 мм с разрывной прочностью 60-250 кН.

3. Способ термогазогидродинамического разрыва продуктивного пласта нефтегазовых скважин с зенитным углом до 90° и более, включающий установку корпусного газогенератора на геофизическом кабеле в интервале продуктивного пласта, вскрытого перфорацией, приведение газогенератора в действие и создание термогазодинамического импульса, отличающийся тем, что оценивается качество вторичного вскрытия продуктивного пласта и, при поверхности вскрытия пласта перфорационными каналами менее 1000 см²/м перфорированного интервала, выполняется дополнительная перфорация кумулятивными или сверлящими перфораторами для обеспечения поверхности вскрытия пласта до 2000 см²/м и более и производится циклическое воздействие на продуктивный пласт путем спуска корпусного газогенератора в требуемый интервал на геофизическом кабеле с привязкой к геологическому разрезу гамма-методом для термогазогидродинамического воздействия в управляемом и контролируемом режиме при наибольшей концентрации энергии и температуры в перфорированной зоне при оптимизации массы и длины газогенерирующего заряда для создания импульса давления в 1,5-3 раза выше давления разрыва пласта с целью раскрытия существующих и создания новых трещин в пласте при естественном закреплении их частицами разрушенной горной породы с последующим формированием депрессионно-репрессионного волнового процесса в инфразвуковом частотном диапазоне для вовлечения в разработку тупиковых (застойных) нефтенасыщенных участков, с документированием процесса и оценкой завершенности разрыва пласта по времени затухания в диапазоне 10-40 с, соответствующего 1-3 периодам колебаний, и по снижению величины давления до 80% от максимальных значений, с локализацией интервалов трещинообразования по регистрируемым термограммам, для чего применяют устройства по пп.1 и 2.