УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРИЗАБОЙНУЮ ЗОНУ Российский патент 2018 года по МПК E21B43/25 H01T9/00 E21B28/00 

Изобретение относится к средствам генерирования сейсмической энергии, например упругих колебаний в нефтеносных пластах, в частности к средствам ударного воздействия на призабойную зону скважин и нефтенасыщенные пласты при добыче углеводородов, например, нефти.

Из уровня техники известно устройство для ударного воздействия на призабойную зону скважины путем создания депрессионно-репрессионных импульсов давления в гидросреде (RU 2248591 С2. 20.05.2005).

Недостатком известного технического решения является сложность исполнения и ограниченные возможности применения известного устройства.

В качестве прототипа выбрано известное устройство для ударного воздействия на призабойную зону, содержащее электроды, разделенные промежутком, установленные в полости скважины, электроды снабжены металлической проволокой, замыкающей электроды, устройством подачи указанной проволоки на электроды и систему генерации импульсов напряжения, обеспечивая тем самым нагрев проволоки, ее взрыв и образование плазменного канала между электродами с последующим образованием ударной волны, которая распространяется внутри скважины (RU 2373386 С1, 20.11 2009).

Недостаток известного технического решения заключается в ограниченных возможностях по созданию необходимого динамического режима, что снижает дебит добычи. Кроме того, проволока и система ее подачи в зазор являются ненадежными элементами в устройстве.

Задача изобретения заключается в повышении дебита из скважины на стадии добычи, обеспечивающего быстрый и с наименьшими трудозатратами выход продукта на максимальные показатели и повышение надежности работы системы.

Технический результат состоит в том, чтобы формировать резонансные явления в элементах системы «скважина - призабойная зона - пласты», обеспечивающие освобождение поровых каналов призабойной зоны и перфорационных отверстий от кольматирующих веществ и наведение в пластах волновой картины для повышения дебита по всей мощности пласта; улучшение фильтрационных свойств призабойной зоны. При этом ставится задача обеспечить повышение надежности устройства подачи импульсов в призабойную зону скважины.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для ударного воздействия на призабойную зону скважины импульсами давления и содержащий

Установка в зоне скважины в зазоре между электродами ионизатора позволяет снизить величину напряжения, подаваемого на электроды.

Применение в устройстве подпружиненного фланца, являющегося составной частью внутреннего электрода, и использование энергии взрыва для воздействия на указанный фланец дает возможность фиксировать импульс и соответственно определять дальнейшие действия.

Применение микропроцессора, датчиков направления движения фланца и сейсмического датчика позволяет подавать импульсы напряжения на электроды в зависимости от предыдущих результатов.

Перечень фигур чертежей:

фиг. 1 Излучатель источника электрогидроимпульсного разряда с установленными в нем ионизирующими электродами.

Фиг. 2 Вторая проекция излучателя.

Фиг. 3 Заглушка.

Фиг. 4 Вторая проекция заглушки.

Фиг. 5 Трубка с фланцем.

Фиг. 6 Вид на трубку сверху.

Фиг. 7 Схема управления подачей высоковольтных импульсов.

Фиг. 8 Принципиальная электрическая схема ионизатора.

Фиг. 9 Микропроцессорная система управления.

Устройство для ударного воздействия на призабойную зону выполнено следующим образом. Источник упругих колебаний состоит из скважинного снаряда (на фиг. не показан), опускаемого в скважину на каротажном кабеле. В скважинном снаряде расположены датчики, разрядное устройство и накопитель энергии разрядного устройства, устройство подачи силовых импульсов и устройство питания ионизатора. Кроме того, в стенку скважины вставлен сейсмический датчик (на фиг. не показан). Разрядное устройство примыкает к скважинному снаряду и, смонтировано в виде трубчатого корпуса 1 с внешним диаметром, меньшим внутреннего диаметра скважины и установлено в гидросреде в полости скважины. Разрядное устройство содержит внешний электрод 2 и внутренний электрод 3, расположенные навстречу друг другу (фиг. 1, 2). В свою очередь внутренний электрод 3 опирается на внешнюю сторону заглушки 4. Иными словами, заглушка 4 является составной частью электрода 3. Внутренняя сторона заглушки является опорой для фланца 5 внутренней трубы 6 (фиг. 1, 2, 3, 4). Труба 6 входит внутрь промежуточной трубки 7 (фиг 1, 2), которая с помощью распорного кольца 8 жестко закреплена внутри трубчатого корпуса 1. Трубчатый корпус 1 содержит обширные окна (на фиг. не обозначены) Эти окна расположены в области межэлектродного пространства (фиг. 1, 2) на уровне электродов 2 и 3 и необходимы для свободного прохождения взрывной волны от межэлектродного пространства в призабойную скважину. В свою очередь, заглушка 4 выполнена в виде двух цилиндрических колец - внутреннего 9 (фиг. 1, 2, 3, 4) и внешнего 10 с четырьмя ребрами 11, радиально расходящимися от внутреннего кольца 9 к внешнему 10. Таким образом, в заглушке также образованы окна, обеспечивающие свободное прохождение взрывной волны от электродов 2 и 3. Ребра 11 сочленены с внешней поверхностью фланца 5. Между фланцем 5 и внутренним концом промежуточной трубки 7 вокруг трубки 6 установлена силовая пружина сжатия 12. Пружина сжатия одной стороной упирается во внутреннюю поверхность фланца 5, а другой стороной упирается в край промежуточной трубки 7. В свою очередь внутренняя трубка 6 одним своим краем входит внутрь промежуточной трубки 7, которая с помощью распорного кольца 8 жестко закреплена внутри трубчатого корпуса 1. Верхняя часть трубки 7 (фиг. 5, 6) снабжена крышкой 13, выполненной в виде плоского цилиндра с четырьмя ребрами 14, радиально расходящимися от центра крышки 13 и сходящимися на внешнем кольце 15 крышки 13. В центральной части крышки 13 на ее оси прочно установлен круглый стержень 16. Стержень 16 проходит через сальник (на фиг. не обозначен) по оси внутрь отдельного замкнутого цилиндрического корпуса 17 несколько меньшего диаметра, чем трубчатый корпус 1. На стержне 16 прочно закреплен штифт 18. В стенках цилиндрического корпуса 17 на штифтах 19 установлены пьезоэлементы 20 и 21. Расстояние между обращенными навстречу друг другу пьеэлементами 20 и 21 равно зазору между электродами 2 и 3. Штифты 19 обладают некоторой гибкостью, а внутренняя часть цилиндрического корпуса 17 заполняется диэлектрической жидкостью.

На внутренних стенках трубы 1 между электродами 2 и 3 расположен ионизатор, состоящий из ионизирующих электродов 22 и 23. Электроды 22 и 23 установлены с противоположных сторон в параллельных плоскостях на диэлектрических пластинах, соответственно 24 и 25. Расстояние между плоскостями ионизирующих электродов выбирается из условий создания устойчивого коронного разряда в локальных областях, находящегося между двумя противоположными ионизирующими остриями, и максимально возможной производительности ионов.

Для обеспечения нормального функционирования в схеме должны быть предусмотрены источник высокого напряжения, прилагаемого к электродам 2 и 3, с зарядным устройством с накопителем энергии (фиг. 7). Зарядное устройство (фиг. 7) состоит из высоковольтного трансформатора 26, выпрямителя 27, ограничительного сопротивления 28, накопителя энергии 29, разрядного устройства в виде разрядника 30 с пусковым электродом 31 и блоком формирования импульса 32. Для запуска разрядника 30 применен повышающий трансформатор 33, реле 34 для переключения жил кабеля 35 и пояс Роговского 38, Последний предназначен для регистрации тока в разрядном контуре накопительных конденсаторов, который одновременно используется в качестве формирователя электрического сигнала для счетчика рабочих импульсов. Применение пояса Роговского позволяет контролировать амплитуду тока разрядного контура и соответственно эффективность работы устройства в целом.

Электропроводящие жилы кабеля 36 подсоединены к клеммам 37, 38 и 39, а броня - к клемме 40 разъема.

В качестве схемы для ионизатора используется источник высокого напряжения, выполненный на основе мультивибратора 41, построенного на транзисторах VT1 и VT2 (фиг. 8). Частота мультивибратора меняется с помощью подстроечного резистора 42 в пределах от 30 до 60 кГц. От мультивибратора импульсы поступают на преобразователь напряжения 43, построенный на двух транзисторах VT3, VT4, и трансформаторе 44. При изменении частоты меняется выходное напряжение на выходе преобразователя. Если уменьшать частоту, то выходное напряжение будет увеличиваться. Далее высокое напряжение (порядка 2.5 кВ) с вторичной обмотки трансформатора 44 идет на вход умножителя, собранного на конденсаторах 45 (С8-С13) и диодах 46 (VD5-VD10). Затем напряжение подается непосредственно на острия 13 и 14. Один вывод вторичной обмотки трансформатора 44 подключен к минусу устройства. Расстояние между электродами подбирается индивидуально. Чтобы предотвратить систему от возникновения между электродами и другими элементами конструкции слишком большой разности потенциалов, используются резисторы. Чтобы не пробило вторичную обмотку трансформатора 44, в системе предусмотрен разрядник 47. Схема питания построена на реактивном емкостном сопротивлении. Она состоит из стабилитрона 48 (VD2), конденсаторов 49 (С1, С2), диодного моста 50 (VD1) и резистора 51. В качестве диода можно использовать КЦ106Г или КЦ123. Напряжение на схему ионизатора подается от однофазного трансформатора 52. Ионизирующие электроды могут быть подключены к разным полюсам высоковольтного источника напряжения для повышения производительности ионов. Электрические схемы фиг. 7 и фиг. 8 должны быть развязаны, т.е. не содержать общих точек. Ионизатор может ионизировать пространство между электродами, как в воздушной, так и в жидкой среде путем регулирования частоты импульсов.

Система управления содержит микропроцессор 53 (фиг. 9), на который подаются сигналы от датчика подачи высоковольтного напряжения 54 на электроды 2, 3, связанного с поясом Роговского 36, пьезоэлектрических датчиков 20 и 21 и сейсмодатчика 55, вмонтированного в стенку скважины. Последний предназначен для определения направления движения колебательного процесса. В схеме имеется также счетчик импульсов (на фиг. не показан). Микропроцессор 53 снабжен блоком управления 56, рукояткой управления 57 и включателем 58. Система управления с микропроцессором 53 находятся на пульте управления оператора. Рукоятка управления имеет несколько фиксированных позиций имеющих обозначения количества импульсов включения источника высокого напряжения.

Устройство для ударного воздействия на призабойную зону действует следующим образом. В межэлектродное пространство на электроды 22 и 23 (фиг. 1) от электрической схемы ионизатора (фиг. 8) поступает напряжение от источника высокого импульсного напряжения, за счет чего межэлектродное пространство заполняется ионами азота, кислорода и ионами других элементов, присутствующих в пространстве скважины между электродами.

Для начала процесса необходимо нажать на включатель схемы управления на рукоятке 56 микропроцессора 55 (фиг. 9). Затем сигнал по жиле каротажного кабеля 38 подается электрический сигнал на реле Р, контакты которого переключают соответствующие, проводники идущие от кабеля: 37, 38 и 39. После этого по проводнику 36 подается пусковой сигнал на вход блока формирования импульса запуска 31. Он повышается с помощью трансформатора 33. После срабатывания разрядника 29 импульс высокого напряжения подается на электроды 2, 3. При подаче импульса высокого напряжения на электроды 2 и 3 между ними возникает электрическая дуга, при этом за счет ионизации межэлектродного воздуха для создания электрической дуги требуется значительно меньшее напряжение. Происходит пробой межэлектродного промежутка и возникновение плазменного канала между электродами 2 и 3 с образованием электрического разряда и в жидкой среде скважины. Ударная волна распространяется внутри скважины. Одновременно энергия взрыва оказывает давление на фланец 5, что заставляет внутреннюю трубу 6 переместиться (фиг. 1, 2). Силовая пружина 12 сжимается. При этом объем межэлектродного пространства увеличивается, и ионизированная среда распределяется по большему объему. За счет пружины 12 происходит обратное движение внутренней трубы 6. Процесс сжатия пружины 12 и обратное ее движение длиться несколько микросекунд. При этом объем межэлектродного пространства увеличивается. За счет притока жидкой среды и продолжающейся работы ионизатора, разрушенная во время электрического пробоя, ионизированная среда восстанавливается. С помощью пружины 12 происходит обратное движение внутренней трубы 6. Процесс сжатия пружины 12 и обратное ее движение происходит за непродолжительное время. За это время происходит новый заряд конденсаторов 25 (фиг. 2).

Регистрация разряда производится по уровню сигнала с пояса Роговского 36, установленного в токовой цепи накопительных конденсаторов. Система готова к повторному действию. Продолжение работы возможно в автоматическом режиме, по сигналам датчиков 19, 21 и 54 системы управления (фиг. 9) или по команде оператора. Датчик 54 фиксирует начало движения волны в определенную сторону. Этот сигнал усиливается и включает разрядное устройство. При этом микропроцессор определяет время полного цикла движения электрода 3 по результатам расчета времени движения штифта 18 во время его движения от пьезодатчика 21 до датчика 19 и обратно. Если время движения штифта 18 превышает время полуволны сейсмодатчика, то время повторного включений увеличивается соответственно показаниям микропроцессора.

Оператор может оказывать воздействие на пласт в зависимости от результатов предыдущих импульсов, что позволяет повысить продуктивность скважины.

Подача импульсов в такт с колебательным процессом, возникающим в скважине, позволяет дополнительно повысить продуктивность разрушения кольматирующих веществ, получать приток флюида в добывающую скважину для повышения приемистости пласта.

По результатам воздействия на скважину оператор произвольно может менять частоту импульсов разрушения в определенных пределах.

Воздействие на пласт в зависимости от результатов предыдущих импульсов позволяет повысить продуктивность скважины.

Моделирование нелинейных процессов, происходящих в продуктивном пласте, позволяет рассматривать залежь как совокупность колебательных систем (нелинейный осциллятор в неравновесной упругой среде), на которую можно воздействовать путем внешних вынужденных колебаний. Важнейшей особенностью неравновесной среды является то, что даже небольшая возмущающая сила может привести к непропорционально большому эффекту (триггерный эффект). Важно, чтобы воздействие было периодическим.

Как известно, расширение плазменного канала и его последующее «схлопывание» по периодическому принципу оказывает на призабойную зону пласта и пласт в целом знакопеременные нагрузки. В результате многократного периодического повторения циклов «репрессия - депрессия» ударные гидравлические волны» давления распространяются по скелету пласта и его пористой среде и изменяют емкостные и фильтрационные свойства пород. Под их влиянием происходит очистка интервалов перфорации от осадков, кольматирующих частиц породы и остатков бурового раствора, его фильтрата, а также выпавших в пористой среде осадков солей и асфальто-смоло-парафиновых образований. Повторяющиеся импульсы давления раскрывают природные трещины коллектора и способствуют образованию новых трещин.

Таким образом, нефтяной пласт может рассматриваться в качестве открытой диссипативной нелинейной системы, свободной к самоорганизации и содержащей огромный источник непознанной и потому невостребованной энергии, который в процессе эксплуатации неразрывно нелинейно связан с добывающими и нагнетательными скважинами.

Исходя из изложенного, разработчики способа воздействия на призабойную зону пришли к следующему выводу: чтобы возбудить такую сложную систему на резонансных частотах необходимо иметь широкополосный управляемый скважинный источник периодических упругих колебаний (генератор накачки). Такой источник инициируемых периодических колебаний неизбежно приведет к самоорганизации системы, то есть упорядочению колебаний в пласте, что проявится в появлении одной или нескольких (в случае многослойной системы) квазигармоник, а, следовательно, к возникновению резонансных явлений.

Практика показывает, что для получения дополнительного притока флюида в добывающую скважину или повышения приемистости пласта нагнетательной скважины необходимо инициировать серию упругих периодических импульсов по всему рабочему интервалу перфорации, давление которых превышало бы коэффициент закупорки, а скорость распространения этих импульсов способствовала бы увеличению коэффициента пьезопроводности.

Особенностью предлагаемой технологии скважинного плазменно-импульсного воздействия является влияние не только на призабойную зону, но и на пласт в целом благодаря глубокому проникновению сейсмоакустической волны в пласт и созданию в пласте резонансных процессов.

Необходимое количество периодических импульсов «накачки» зависит от горно-геологических, фильтрационно-емкостных и других особенностей залежи, свойств пластовых флюидов и рассчитывается по специальной методике. Инициируемые импульсы через равные промежутки времени с определенным давлением на начальном этапе создают ударную волну, которая в упругой среде вызывает упругие колебания во всей газожидкостной поровой системе.

Дальность действия плазменно-импульсного воздействия на пласт при определенных геологических условиях может составлять до 1500-1800 м. Поэтому скважины, находящиеся на обрабатываемом пласте, зачастую воспринимают это воздействие. За счет очистки пор коллектора, образования новых трещин, лучшей отмываемости нефти, повышается подвижность пластового флюида, уменьшается обводненность и увеличивается дебит добываемой продукции обрабатываемой и реагирующих скважин.

Очевидно, параметрическим резонансом пласта можно объяснить уменьшение обводненности продукции после воздействия, поскольку возникают периодические колебания пластового флюида.

Изобретение относится к средствам генерирования сейсмической энергии, например упругих колебаний в нефтеносных пластах, в частности к средствам ударного воздействия на призабойную зону скважин и нефтенасыщенные пласты при добыче углеводородов, например нефти. Устройство для ударного воздействия на призабойную зону скважины импульсами давления содержит внутренний и внешний электроды, установленные в гидросреде в полости скважины, разделенные промежутком, и систему подачи импульсов напряжения на электроды, обеспечивает образование плазменного канала между электродами с последующим образованием ударной волны. При этом между электродами расположен ионизатор. Причем устройство снабжено подпружиненным фланцем, являющимся составной частью внутреннего электрода. При этом система подачи импульсов снабжена микропроцессором, датчиками направления движения фланца и сейсмическим датчиком. Техническим результатом является повышение дебита из скважины на стадии добычи, обеспечивающего быстрый и с наименьшими трудозатратами выход продукта на максимальные показатели добычи, и повышение надежности работы системы. 9 ил.

Устройство для ударного воздействия на призабойную зону скважины импульсами давления, содержащее внутренний и внешний электроды, установленные в гидросреде в полости скважины, разделенные промежутком, и систему подачи импульсов напряжения на электроды, обеспечивающее образование плазменного канала между электродами с последующим образованием ударной волны, отличающееся тем, что между электродами расположен ионизатор, причем устройство снабжено подпружиненным фланцем, являющимся составной частью внутреннего электрода, при этом система подачи импульсов снабжена микропроцессором, датчиками направления движения фланца и сейсмическим датчиком.