СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ГАЗОГИДРАТНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОКУСИРОВАННОГО АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ Российский патент 2016 года по МПК E21B43/24 

Изобретение относится к газовой сфере и служит для добычи природного газа из газогидратных месторождений и газовых месторождений, характеризующихся выпадением гидратов в призабойной зоне пласта. Предлагается новый способ, основанный на применении фокусирующего ультразвукового устройства для прогрева продуктивного пласта, с целью добычи природного газа из газовых гидратов.

Уровень техники.

Известен способ акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, который относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использован для повышения продуктивности скважины и пласта пород-коллекторов в целом. Способ включает диагностику призабойной зоны, облучение акустическим полем и корректировку параметров режимов облучения по результатам обратной связи. Акустическое воздействие осуществляют поэтапно вертикально направленным и круговым горизонтально направленным акустическими полями одновременно (RU 2140534 С1, 11.03.1998).

Данный способ отличается тем, что в конструкции ультразвукового излучателя не используется принцип акустической фокусировки, что ведет к сильному рассеянию энергии в пласте. Выбранная мощность и частоты в данном способе не обеспечивают изменения фазового состояния флюидов, а лишь служат для интенсификации процессов.

Известен способ повышения нефтеотдачи пласта с применением акустического воздействия. Данный способ относится к нефтяной промышленности и может быть использован для повышения дебита скважин и интенсификации добычи нефти. Обеспечивается повышение эффективности за счет воздействия на жидкость в поровом пространстве скважины многочастотным воздействием. Способ предусматривает погружение виброакустического скважинного излучателя в скважину до уровня продуктивного пласта и осуществление акустического воздействия на пласт (RU 2355878 С2, 28.12.2006).

Данный способ отличается тем, что он пригоден только для нефтяных месторождений, воздействие осуществляется многочастотное и в конструкции ультразвукового излучателя не применяется акустическая фокусировка.

Известны способы добычи природного газа из газогидратных месторождений, такие как понижение давления, разогрев продуктивного пласта с помощью закачки теплой воды, применение ингибиторов, комбинированные методы и т.д. (Перспективы разработки технологии промышленной добычи газовых гидратов // Е.В. Крейнин // Газовая промышленность. - 2007. - № 1. - С. 43-46; Способы добычи газа из газогидратных месторождений // К.С. Басниев [и др.] // Газовая промышленность. - 2007. - № 11. - С. 84-86 - Библиогр.).

Известны способы добычи газовых гидратов методом снижения давления как за счет естественного перепада давления при разбуривании залежи, так и с использованием дополнительных компрессорных установок (примеры RU 2438009 С1, 04.05.2010; RU 2386015 С1, 15.12.2008). Недостаток метода снижения давления связан с техногенным образованием гидратов в призабойной зоне вследствие эффекта Джоуля-Томсона. Также температура породы и вмещающих флюидов будет снижаться вследствие высокой отрицательной энтальпии разложения газовых гидратов, равной 0.5 МДж/кг. Все это приведет к дополнительному эффекту самоконсервации гидратов, что остановит выделение природного газа. Таким образом, разработка гидратных залежей за счет понижения давления возможна только при закачке ингибиторов в призабойную зону, что значительно увеличит себестоимость добываемого газа и приведет к дополнительным экологическим рискам.

Известны способы добычи газовых гидратов методом увеличения температуры пласта и вмещающих флюидов с помощью закачки разогретого источника (пример - вода), помещение «точечного» источника тепла на забое, проведение химических реакций с выделением тепла в пласте (примеры RU 2491420 С2, 30.11.2011; RU 2451171 С2, 30.07.2008; RU 2424427 С1, 13.04.2010; RU 2306410 С1, 22.12.2005).

Тепловой метод разработки газогидратных месторождений, с применением «точечного» источника тепла на забое скважины, пригоден для пластов, имеющих высокое содержание гидратов в порах. Однако, как показывают результаты расчетов, тепловое воздействие через забой скважины малоэффективно. Это связано с тем, что процесс разложения гидратов сопровождается поглощением тепла с высокой удельной энтальпией 0,5 МДж/кг. По мере удаления фронта разложения от забоя скважины все больше энергии тратится на прогрев вмещающих пород и кровли пласта. Поэтому зона теплового воздействия на гидраты через забой скважины имеет размер порядка всего 2-3 метров от оси скважины и прогрев сильно снижается после этого расстояния. Также наблюдается существенное рассеяние энергии в области пласта, не содержащее газовые гидраты.

В случае использования в качестве источника тепла закачиваемую в пласт разогретую воду, приходится сталкиваться с трудностями в поддержании ее температуры во время транспортировки до пласта и большими затратами энергии на начальный нагрев.

Известный метод разложения гидратов с применением ингибиторов (пример RU 2433255 С1, 03.03.2010) вряд ли окажется приемлемым вследствие высокой стоимости ингибиторов и их опасности для экологии.

Раскрытие способа.

Сущность способа разработки газогидртаных залежей с использованием фокусированного акустического воздействия на пласт заключается в использовании для прогрева продуктивного пласта фокусирующего ультразвукового излучателя. Данный способ может применяться совместно с методом закачки в пласт воды. Нагрев воды осуществляется непосредственно на забое, за счет акустического воздействия.

Используется диапазон частот от 20 до 30 кГц. Мощность поверхностного генератора ультразвуковой установки от 15 до 20 кВт. В данных расчетах используется 16 кВт генератор.

Отдельно в зависимости от параметров коллектора и вмещающих флюидов выбирается фокусное расстояние от оси скважины для акустической линзы излучателя, составляющее от 5 до 15 метров.

Наибольшие перспективы имеет комбинированный метод, состоящий в одновременном снижении давления и подводе тепла к скважине. Причем подвод тепла предлагается осуществлять с помощью воздействия на пласт фокусированным акустическим полем. За счет фокусировки ультразвуковых волн удастся добиться большей глубины проникновения, меньшего рассеяния в не содержащие газовые гидраты участки пласта и возникновения дополнительной энергии в зоне фокуса излучения. Данный метод воздействия поможет достичь следующих преимуществ: воздействие будет осуществляться не «точечно» на забое, а на определенном расстоянии вокруг скважины; можно достичь более высоких температур без ущерба для скважины за счет охлаждения водой; параллельно будет осуществляться нагрев закачиваемой в пласт воды; за счет небольших глубин залегания газовых гидратов потери при передаче энергии на излучатель не столь велики и КПД установки остается на высоком уровне.

Воздействие ультразвуковым полем с помощью забойного излучателя осуществляется с большим проникновением в пласт относительно забойного нагревателя за счет использования принципа ультразвуковой (УЗ) фокусировки.

Для теплового воздействия на пласт с помощью ультразвука, на УЗ излучатель можно подавать мощность, значительно большую, чем на обычный тепловой источник, и при этом не подвергать риску разрушения конструкцию скважины на забое. Это осуществимо за счет охлаждения устройства и колонны закачиваемой водой. Кроме того, снимая избыточную температуру на забое, можно нагревать воду и за счет этого дополнительно подогревать пласт. В случае обычного теплового источника вода отнимает большую часть энергии на свой прогрев, что уменьшает эффективность прогрева пласта. Ультразвуковое излучение, напротив, хорошо проводится водой, причем форма и дальность распространения волн не изменится.

Описание чертежей

На рисунке 1 показан разрез по диаметру УЗ излучателя, поверхность которого имеет форму вогнутой линзы, и форма излучения от фокусирующей поверхности.

На рисунке 2 показан внешний план фокусирующей части излучателя с сектором излучения.

Осуществление способа

Воздействие ультразвуковым полем с помощью забойного излучателя осуществляется с большим проникновением в пласт относительно забойного нагревателя за счет использования принципа ультразвуковой (УЗ) фокусировки. Для этого предлагается использовать метод цилиндрической фокусировки. На рисунке 1 показан разрез по диаметру участка УЗ излучателя с 2 акустическими развязками (1, 2), соединенными между собой (3), поверхность которого имеет форму вогнутой линзы (4). Излучение от такой поверхности будет иметь форму диска (5), что позволит добиться усиления интенсивности в точке фокусировки (6) и избежать рассеяния в область пласта, не содержащую газовые гидраты. В конструкции применена ультразвуковая развязка (1, 2), которая служит для усиления излучения и разворота продольных колебаний в поперечные с помощью вакуумной полости в форме призмы (7).

В зависимости от свойств коллектора и содержащихся в нем флюидов, форма фокусирующей линзы выбирается так, чтобы подобрать оптимальное фокусное расстояние (8), определяемое углом фокусировки (9). В зависимости от необходимого фокусного расстояния, мощности и частоты ультразвукового излучателя, из геометрических соображений выбирается расстояние между акустическими развязками (10).

Далее приведены результаты расчета теплового воздействия предлагаемого метода с помощью математической модели, что показывает его эффективность.

В качестве примера взят поверхностный генератор мощностью 16 кВт. С учетом акустического КПД излучателя, потерь на скважинном кабеле для глубины залегания до 1000 м и конструкции излучателя, имеющего 2 акустические развязки, что соответствует мощности выделяемой на одну линзу (один излучающий «диск») порядка 5.5 кВт.

Для оценки затрат энергии на работу генератора в сравнении с энергией добытого газа использовалась теплота сгорания метана, равная 33.28·10⁶ Дж/м³.

В качестве параметров породы и вмещающих флюидов берутся следующие значения: теплоемкость породы и вмещающих флюидов равна 1.48·10⁶Дж/(м³K); пористость 0.35; гидратонасыщенность 75%; водонасыщенность 0.25; начальное давление в пласте Р₀ равно 5.74 МПа; начальная температура Т₀ равна 283 K; коэффициент теплопроводности породы и вмещающих флюидов равен 1.71 Вт/(м^·K); коэффициент поглощения звука породой и вмещающими флюидами равен 4.5 Дб/м.

Поле увеличения температуры рассчитано для области между двумя акустическими развязками. По высоте ствола скважины, в которой располагается излучатель, расстояние составляет 2.8 метра. Температура, после 70 суток воздействия, увеличилась на следующие значения: на расстоянии 0.7 метра от скважины температура увеличилась на 100°С; на расстоянии от 0.7 до 2.5 метров - на 85°С; на расстоянии от 2.5 до 7.5 метров - на 65°С; на расстоянии от 7.5 до 15 метров - на 30°С; на расстоянии от 15 до 22.5 метров - на 20°С; на расстоянии от 22.5 до 27.5 - на 15°С; на расстоянии от 27.5 до 35 на 10°С; на расстоянии от 35 до 42 метров на 5°С; далее увеличение температуры вследствие акустического значения считается 0°С.

Избыточная температура около забоя может быть снята с помощью охлаждения закачиваемой водой.

Изобретение относится к добыче природного газа из газогидратных месторождений и газовых месторождений, характеризующихся выпадением гидратов в призабойной зоне пласта. Технический результат - большая мощность воздействия на пласт без риска разрушения конструкции скважины. Способ разработки газогидратных залежей включает прогрев продуктивного пласта в призабойной зоне посредством акустического воздействия, при этом применяют акустический излучатель с диапазоном частот от 20 до 30 кГц и подводимой мощностью от 15 до 20 кВт, в конструкции которого используют ультразвуковую развязку, усиливающую звуковое излучение за счет геометрии конструкции и имеющую в своей конструкции вакуумную полость в форме призмы для поворота продольных звуковых волн на 90° и наружную боковую поверхность в форме вогнутой линзы для произведения цилиндрической фокусировки звукового излучения на расстоянии от 5 до 15 метров от оси скважины. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разработки газогидратных залежей, включающий прогрев продуктивного пласта в призабойной зоне посредством акустического воздействия, отличающийся тем, что применяется акустический излучатель с диапазоном частот от 20 до 30 кГц и подводимой мощностью от 15 до 20 кВт, в конструкции которого используется ультразвуковая развязка, усиливающая звуковое излучение за счет геометрии конструкции и имеющая в своей конструкции вакуумную полость в форме призмы для поворота продольных звуковых волн на 90° и наружную боковую поверхность в форме вогнутой линзы для произведения цилиндрической фокусировки звукового излучения на расстоянии от 5 до 15 метров от оси скважины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одновременно с акустическим воздействием может осуществляться нагрев пласта с помощью закачиваемой воды, которая нагревается непосредственно на забое и в призабойной зоне посредством поглощения избыточного тепла от ультразвукового воздействия.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что можно достичь более высокие температуры нагрева пласта без ущерба для конструкции скважины за счет охлаждения водой, закачиваемой с поверхности.