СПОСОБ ВТОРИЧНОГО ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ ГЕЛИКОИДНОЙ ПЕРФОРАЦИЕЙ Российский патент 2016 года по МПК E21B43/114 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для повышения нефтеотдачи посредством наиболее полной выработки пластов в осложненных горно-геологических условиях.

Уровень техники

Наиболее часто используемыми способами вторичного вскрытия продуктивных пластов являются: пулевая, кумулятивная перфорации, сверлящая, гидропескоструйная, а также гидравлический разрыв пласта ([1] Повышение качества первичного и вторичного вскрытия нефтяных пластов / Н.А. Петров, В.Г. Султанов, И.Н. Давыдова, Г.В. Конесев; под ред. проф. Г.В. Конесева. - СПб.: ООО «Недра», 2007. - 548 с.).

На сегодняшний день наибольшее распространение получила кумулятивная перфорация скважин, так как она легче всего может быть реализована в любых условиях. Однако такая легкость в реализации не говорит о наибольшей эффективности технологии. Так, пулевая, кумулятивная, сверлящая и гидропескоструйная перфорации относятся к точечному типу, т.е. вскрытие пласта происходит в точке (в проекции на стенку скважины), и для повышения качества связи необходимо выполнить многократное вскрытие пласта таким способом.

Следующим уровнем, по качеству вскрытия, является разновидность гидропескоструйной перфорации - щелевая гидропескоструйная перфорация, которая производит вскрытие пласта в плоскости (вертикальной или горизонтальной). Данный способ вскрытия пластов является наиболее щадящим по отношения к цементному камню скважины и дает хорошую связь с пластом, так как позволяет получить чистые каналы ([2] Разработка технического обеспечения и методов контроля процесса гидромеханической щелевой перфорации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Назаров С.В. 2005 г.). Существует большое количество модификаций данного способа вторичного вскрытия пластов, сочетающих в себе как механическое вскрытие эксплуатационной колонны ножами, роликами, так и полностью гидравлическое вскрытие колонны и нарезку фильтрационного канала и щели. Недостатком данного способа является получение связи скважины с пластом только в одной, двух или трех вертикальных плоскостях (в зависимости от числа насадок).

На сегодняшний день способом вторичного вскрытия пласта, позволяющим получить максимальную гидродинамическую связь между пластом и скважиной, является гидравлический разрыв пласта ([3] Способ улучшения гидродинамической связи скважины с продуктивным пластом (RU 2485296, МПК E21B 43/16, опубл. 20.06.2013)). Данная технология получила большое распространение благодаря своей высокой эффективности, однако она так же, как и щелевая гидропескоструйная перфорация, вскрывает пласт в плоскостном направлении (вертикальном или горизонтальном). Также данная технология имеет ограничения по применимости в осложненных горно-геологических условиях (наличие газовых шапок или активных подошвенных вод), так как трещина гидроразрыва имеет большую протяженность по вертикали и может выйти за пределы продуктивного пласта. Таким образом, основным недостатком данной технологии является обязательное наличие в скважине между продуктивным пластом и другими водо- или газоносными пластами мощных водоупоров, которые бы препятствовали распространению трещины разрыва в другие пласты.

За основу для реализации технологии максимизации качества гидродинамической связи была взята технология щелевой гидравлической резки пласта, так как данная технология позволяет работать в осложненных горно-геологических условиях и имеет потенциал для улучшения.

В данной области в последнее время существует очень большое количество вариантов формирования щели, однако практически все они сводятся к нарезке вертикальных щелей либо в постоянном режиме ([4] RU 2282714, МПК E21B 43/114, опубл. 27.08.2006), либо в интервальном со сращиванием щелей уже в пласте ([5] RU 2365742, МПК E21B 43/11, опубл. 27.08.2009).

Также широко известны способы вскрытия продуктивных пластов щелевой перфорацией ([6] RU 2397317, МПК E21B 43/112, опубл. 20.08.2010), когда перфоратор опускают в скважину на заданную глубину, с последующим перемещением перфоратора вверх и прорезанием щели в стенке обсадной трубы/эксплуатационной колонны выдвижной дисковой фрезой. Перфорацию осуществляют в интервале скважины щелеобразными участками, расположенными относительно друг друга с заданным шагом по спиральной линии вокруг оси колонны. Образование щели на каждом участке осуществляют перемещением оси фрезы в плоскости щелеобразования по заданной траектории с одновременным возвратно-поступательным перемещением перфоратора в вертикальном направлении относительно обсадной колонны. Скорость перемещения перфоратора выбирают из проектных условий вскрытия продуктивного пласта. Недостатком данного способа является ограничение высоты и глубины перфорации длинной хода дисковой фрезы.

Из уровня техники известен «Перфоратор гидромеханический щелевой» ([7] патент RU 2393341, МПК E21B 43/114, опубл. 27.06.2010). Автор данного патента наиболее близко подошел к решению вопроса объемной перфорации скважин, который предложил установить накатные ролики перфоратора под углом к вертикальной оси для получения винтовых щелей. Целью данного автора являлось создание таких щелей, которые бы позволяли обсадной колонне противостоять горизонтальной горной составляющей для предотвращения сминания колонны. В итоге автор констатирует, что данный прибор позволяет оборудовать скважину системой протяженных крестообразных каналов. Недостатком данного способа является наличие каналов, а именно создание щелей вместо полного удаления горной породы в зоне контакта, т.е. вскрытие пласта происходит по геликоидной поверхности и в развертке является плоскостным вариантом, что приводит к возникновению дополнительных фильтрационных сопротивлений при фильтрации флюидов из пласта в скважину.

В качестве наиболее близкого аналога взят патент на полезную модель ([8] RU 10775, МПК E21B 43/00, опубл. 16.08.1999), раскрывающий способ вскрытия пластов путем спуска гидравлического перфоратора в скважину на насосно-компрессорной трубе, перфорацию эксплуатационной колонны. Перфорацию выполняют перемещая гидравлический перфоратор вверх вдоль оси скважины и одновременно вращая его вокруг собственной оси с нарезанием винтовых щелей.

Сущность изобретения

Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание максимально большого канала фильтрации пластовой жидкости в скважину.

Технический результат, достигаемый при использовании предложенного способа - создание открытого забоя скважины (полости), снижение фильтрационных сопротивлений, снижение степени риска получения «стопа» при гидравлическом разрыве пласта и повышение эффективности фильтрации.

Указанный технический результат достигается за счет способа вторичного вскрытия продуктивных пластов, включающего спуск гидравлического перфоратора в скважину на насосно-компрессорной трубе, перфорацию эксплуатационной колонны, перфорацию выполняют перемещая гидравлический перфоратор вверх вдоль оси скважины и одновременно вращая его вокруг собственной оси с нарезанием винтовых щелей. Скорости перемещения и вращения гидравлического перфоратора выбирают исходя из условия получения в результате перфорации щелей в виде геликоида с шагом, составляющим 0,7 от высоты нарезаемой щели и смыкания указанных щелей в единое полое пространство в призабойной зоне пласта. Винтовую щелевую перфорацию выполняют с шагом, составляющим 10 см.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - вид в разрезе призабойной зоны скважины в случае нарезки обособленных винтовых щелей/перфорационных каналов (шаг винта > высота щели);

Фиг. 2 - вид в разрезе призабойной зоны скважины в случае нарезки соединенных винтовых щелей/перфорационных каналов в единое полое пространство (шаг винта = 0,7 высота щели).

Раскрытие изобретения

Геликоидная перфорация позволяет вскрывать пласт во всем объеме, а не точечно (кумулятивная, гидравлическая перфорации) или в плоскости (щелевая перфорация, гидравлический разрыв пласта). Устройство геликоидной перфорации включает гидравлический перфоратор (гидравлическую перфорационную насадку) и механизм перемещения перфоратора вдоль оси скважины и его вращения. Вращение и перемещение вдоль оси гидравлического перфоратора осуществляется 3 возможными способами: гидравлическим, механическим и механико-гидравлическим способом.

Гидравлический способ. Существует оборудование, позволяющее производить подъем забойного гидравлического перфоратора при помощи глубинного устройства для вертикальных перемещений гидроперфоратора. Соединение вместе глубинного устройства для подъема перфоратора с приводом для вращения позволит соплу гидравлического перфоратора описывать геликоид и производить перфорацию требуемой конфигурации. Для регулирования шага геликоида между двумя устройствами встраивается золотниковое устройство, которое необходимо регулировать для каждого конкретного случая. Недостатком гидравлического способа является сложность контролирования величины шага геликоида, так как он зависит от перепада давления, который может существенно изменяться в процессе резки горных пород, а встраиваемый золотниковый механизм позволяет получить среднее значение шага.

Механический способ. Существует оборудование для выполнения винтовой щелевой гидравлической перфорации, совмещенное с функцией резки металла обсадной трубы твердыми накатными роликами. Недостатком известного оборудования является создание щелей вместо полного удаления горной породы в зоне контакта. Решением данного недостатка является точный расчет шага винта перфоратора для того, чтобы происходило смыкание нарезаемых щелей для создания объемной полости.

Механико-гидравлический способ. Является комбинацией двух вышеперечисленных способов. При данном способе будет обеспечен заданный шаг геликоида (установка накатных роликов под углом к оси) и максимальное рабочее давление струи жидкости (герметичное устье).

Заданный шаг движения гидравлической перфорационной насадки по геликоиду требуется для создания полого пространства. Так, на фиг. 1 приведен вариант полого пространства, получаемого в случае, когда шаг геликоида больше максимальной высоты нарезаемой щели (перфорационного канала) (3), при этом перфорационные каналы не смыкаются между собой. В случае уменьшения шага геликоида и достижения им значения максимальной высоты нарезаемой щели происходит смыкание нарезаемых щелей в точках максимальной высоты. Для достижения устойчивого соединения получаемых полостей предложено уменьшить шаг геликоида - 0,7 высоты щели, что позволит получить единое пустотное (полое) пространство (4) в обрабатываемом пласте (1) (продуктивном пласте), обеспечивающее максимальный приток жидкости из пласта к скважине (2) (фиг. 2). Глубина такого полого пространства будет зависеть от механических свойств горной породы, геометрических параметров гидравлического перфоратора, физических свойств жидкости перфорации и используемого абразива, а также создаваемого перепада давлений в гидравлическом перфораторе. Следует отметить, что при создании такого пустотного пространства его глубина будет больше, чем для щелевой резки и для просто гидравлической перфорации, так как рабочая струя практически не будет гаситься обратной струей флюида.

Осуществление изобретения

Для создания полого пространства в скважине выполняются следующие операции. Устанавливается золотниковый механизм между двумя устройствами - глубинным устройством для вертикального перемещения перфоратора и гидравлическим перфоратором с накатными роликами. Установка накатных роликов двухстороннего гидромеханического щелевого перфоратора производится под углом, обеспечивающим расстояние между нарезаемыми щелями гидравлического перфоратора в 10 см. Расчет угла производится по формуле:

,

где φ - угол наклона роликов к оси, град;

D - внутренний диаметр эксплуатационной колонны, м;

Т - требуемый шаг геликоида, м;

n - число заходов винта перфоратора (1, 2 или 3).

Тогда для эксплуатационной колонны с внутренним диаметром 146 мм для получения шага в 10 см для однозаходного перфоратора (1 насадка) угол будет равен 77,7°, для двузаходного (2 насадки) 66,4° и для трехзаходного (3 насадки) 56,8°.

Компоновку оборудования спускают на забой скважины в заданный интервал обрабатываемого пласта на колонне НКТ. После спуска перфоратора в колонну НКТ подается рабочая жидкость под высоким давлением, благодаря чему ролики выходят из своих пазов и производят разрушение металла эксплуатационной колонны в точке контакта. Одновременно с этим происходит разрушение цементного камня и породы пласта за счет кинетической энергии струи рабочей жидкости. За счет перепада давления между НКТ и в межтрубном пространстве глубинное устройство для вертикального перемещения начинает поднимать гидравлический перфоратор вверх вдоль оси скважины с заданной скоростью, которая обеспечивается перепадом давления. Перфоратор за счет накатных роликов, установленных под углом, будет вращаться вокруг собственной оси. В первоначальный момент пуска давление на выкиде из скважины резко возрастает, но по мере нарезки полости происходит его падение и дальнейшая стабилизация. Ролики, установленные под углом к оси скважины, преобразуют поступательное движение во вращательно-поступательное. В этот момент начинается перфорация эксплуатационной колонны, а именно нарезка винтовой щели (геликоида) в пласте по ранее заданной траектории, тем самым намывая каверну (пустотное (полое) пространство или, как его еще называют, открытую полость). В связи с тем, что гидравлический перфоратор поднимается и одновременно вращается, исходящая струя описывает геликоид и выполняет нарезку не в одной плоскости, а в объеме. Причем скорости перемещения и вращения перфоратора выбирают исходя из условия, что полученная в результате перфорация представляет собой геликоид с образованием полого пространства в обрабатываемом пласте и с шагом, составляющим 0,7 от высоты нарезаемой щели.

На выкиде происходит нарастание давления жидкости. После того как второй виток щели будет нарезан, произойдет смыкание полости второго витка с полостью первого с образованием единой горной выработки, что выразится в снижении давления на выкиде скважины, причем при образовании полого пространства в пласте перфорационные каналы не разрушаются. После этого наступает этап дальнейшей нарезки полости до проектной величины, и в скважине формируется открытая полость на высоту подъема перфоратора с глубиной, задаваемой параметрами перфоратора, механическими свойствами горной породы и перепадом давления.

Эффективность щелевого винтового гидравлического перфоратора была доказана экспериментально. Изучено влияние расстояния между гидравлическими насадками на смыкание трещин и высоты шага винта на степень гидродинамического совершенства скважины.

Линейная скорость подъема перфоратора - 1 м/час.

Шаг винта перфоратора - 10 см, т.е. перфоратор делает 10 оборотов в час для однозаходного и 5 оборотов в час для двузаходного.

Угловая скорость составит: для однозаходного перфоратора и 0,0087 рад/сек для двузаходного перфоратора.

ПРИМЕР 1.

Для определения расстояния между гидравлическими насадками с целью получения щели был выбран промышленно выпускаемый перфоратор ПЩ-6-146 производства ООО «НЕФТЕПРОМЦЕНТР» двухдисковый.

На скважине была произведена гидравлическая перфорация интервалов пластов со ступенчатым подъемом перфоратора на высоту 10, 15 и 20 см между первым и вторым отверстием. Контроль качества произведенных операций проводился прибором ЭМДСТ-МП разработки ООО «Литосфера». Контроль смыкания перфорационных каналов осуществлялся прибором МАК-2 (геовизор). Степень гидродинамического совершенства интервалов (скин-фактор) определялась по результатам гидродинамических исследований скважин прибором СОВА-5 при вызове притока с помощью установки УЭГИС-3. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Из эксперимента было установлено, что при высоте подъема перфоратора между отверстиями на 10 и 15 см достигается отрицательный скин-фактор по причине большей глубины перфорационных каналов, что достигается из-за полного или частичного смыкания каналов. В случае смыкания перфорационных каналов нижний канал становился отводным для обратного потока струи, что приводило к более эффективной работе гидравлической струи в верхнем канале.

ПРИМЕР 2.

Для создания винтовой щели в пласте была произведена доработка гидравлического перфоратора ПЩ-6-146. Накатные ролики перфоратора, установленные строго по оси перфоратора, были повернуты на заранее рассчитанный угол, а также между перфоратором и колонной насосно-компрессорных труб был установлен торцевой подшипниковый узел собственного производства, обеспечивающий свободное вращение перфоратора вокруг оси.

Углы установки накатного ролика обеспечивали движение гидромониторных насадок по винту с шагом соответственно 10, 15 и 20 см при подъеме перфоратора.

Контроль качества перфорации, смыкания каналов и скин-фактора определялся теми же приборами, что и в эксперименте 1. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

Из эксперимента было установлено, что при шаге винта 10 см обеспечивается полное смыкание перфорационных каналов с образованием полого цилиндрического пространства в интервале перфорации радиусом 0,54 м. Остатки горной породы, контактировавшие с металлом обсадной колонны, в процессе резки щели были полностью вымыты, что привело к резкому снижению скин-фактора в скважине. При шаге винта 15 см образовалась горная выработка с частичным смыканием перфорационных каналов в удаленной зоне. Между витками перфорационных каналов отмечается наличие горной породы в зоне контакта с металлом обсадной колонны. При шаге винта 20 см образовалась протяженная перфорационная щель, по конфигурации напоминающая геликоидную поверхность с отсутствием смыкания между витками. Горная порода полностью разобщает между собой витки перфорационной щели.

Преимуществом данного способа является возможность точного регулирования скорости подъема колонны НКТ, соответственно и перфоратора, что в итоге отражается на достижении параметров по глубине получаемой полости. Высота получаемой полости может ограничиваться временем непрерывной работы гидромониторных насадок по причине их абразивного износа струей рабочей жидкости. Преимуществом данного способа является возможность создания больших перепадов давления, а значит создания глубоких щелей и в итоге большего полого пространства.

Изобретение относится к нефтяной промышленности. Способ вторичного вскрытия продуктивных пластов, включающий спуск гидравлического перфоратора в скважину на насосно-компрессорной трубе, перфорацию эксплуатационной колонны, перфорацию выполняют перемещая гидравлический перфоратор вверх вдоль оси скважины и одновременно вращая его вокруг собственной оси с нарезанием винтовых щелей. Скорости перемещения и вращения гидравлического перфоратора выбирают исходя из условия получения в результате перфорации щелей в виде геликоида с шагом, составляющим 0,7 от высоты нарезаемой щели, и смыкания указанных щелей в единое полое пространство в призабойной зоне пласта. Обеспечивается повышение нефтеотдачи посредством наиболее полной выработки пластов в осложненных горно-геологических условиях. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 2 пр.

1. Способ вторичного вскрытия продуктивных пластов, включающий спуск гидравлического перфоратора в скважину на насосно-компрессорной трубе, перфорацию эксплуатационной колонны, перфорацию выполняют перемещая гидравлический перфоратор вверх вдоль оси скважины и одновременно вращая его вокруг собственной оси с нарезанием винтовых щелей, отличающийся тем, что скорости перемещения и вращения гидравлического перфоратора выбирают исходя из условия получения в результате перфорации щелей в виде геликоида с шагом, составляющим 0,7 от высоты нарезаемой щели, и смыкания указанных щелей в единое полое пространство в призабойной зоне пласта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют винтовую щелевую перфорацию с шагом, составляющим 10 см.