Т е х н о л о г и я п о в ы ш е н и я

э ф ф е к т и в н о с т и

с к в а ж и н н о й д о б ы ч и

н е ф т и , г а з а , в о д ы , с е р ы .

При подготовке к отработке месторождений скважинными методами, а

также после продолжительной эксплуатации, необходимым условием

является обеспечение требуемой трещиноватости и проницаемости рудного

массива - управление его фильтрационными характеристиками.

Фильтрационные характеристики являются основным определяющим

фактором при решении вопроса отработки месторождений (ввод

месторождения в отработку, процесс добычи, время отработки

месторождения). В процессе эксплуатации месторождения нарушается

сообщение продуктивного пласта со скважинами, уменьшается их

приемистость и дебит. Поэтому часть месторождений из-за низкой

проницаемости в отработку скважинными методами не вводится и большие

запасы полезных ископаемых в виде бедных и забалансовых руд, а также

запасы нефти и газа, не используются и остаются в недрах.

Т е х н о л о г и я п о в ы ш е н и я э ф ф е к т и в н о с т и

с к в а ж и н н о й д о б ы ч и н е ф т и , г а з а , в о д ы , с е р ы .

Разработанные технические средства (пневматические и гидравлические

установки) для увеличения фильтрационных характеристик позволяют

принципиально по-новому подойти к оценке пригодности месторождений к

отработке скважинными технологиями, управлять процессом добычи,

ускорять отработку месторождений, увеличивать реальные запасы за счет

ввода в эксплуатацию забалансовых месторождений.

Технические средства созданы на базе теоретических и

экспериментальных исследований.

Анализ исследований воздействия электрогидравлического эффекта

(Ахметов И.Г., Лебедев В.К. и др.) показал, что при нагружении скелета

коллектора динамическими нагрузками - периодическими импульсами

высокого давления непосредственно на забое скважин, происходит

образование микро и макро трещин за счет выноса мелких частиц из

поровых каналов фильтрационным потоком. Способ эффективен при

воздействии на скважину и прифильтровую зону.

Институт ВНИПИ взрывгеофизики Министерства геологии РФ

(Вольницкая Э.М. и др.) разработал аппараты скважинные

пневматические, использовав энергию сжатого воздуха при выхлопе через

отверстие малого сечения для создания импульсных воздействий в

скважине с целью разрушения кольматирующих отложений и

восстановления естественной прискважинной проницаемости.

Возможность использования акустических полей при разработке

месторождений методами скважинной геотехнологии исследовали

Ивакин Б.М., Кузнецов О.Л., Носов В.М. и другие.

Известны результаты исследований явления капиллярного эффекта

(Прохоренко П.П., Деткулов Н.В., Коновалов Г.Б.), суть которого

сводится к увеличению массопереноса через пористые структуры под

действием ультразвуковых полей - знакопеременных волновых полей

звуковой амплитуды.

Большой вклад в исследования физического процесса разрыва пласта

по плоскостям минимальной прочности внесли зарубежные (Ж.Кларк,

М.Хуберт, Д.Виялис) и отечественные (Баренблатт Г.И., Желтов

Ю.П., Беляев Б.М.) ученые.

Вопросам исследований электрических методов воздействия

посвящены работы следующих авторов: Аренса В.Ж., Зыкова В.А.,

Озолина Л.Т., Перова Н.В., Халезова В.Д., Федотова Г.П.

Исследования воздействия вибрации и виброударных колебаний на

продуктивные нефтеносные пласты (Гадиев С. М. и другие) показали,

что в результате виброобработки в пористой среде возбуждаются

интенсивные упругие собственные колебания, способствующие

разрушению пористой среды с образованием сети микротрещин. Но

так как колебания носят хаотический характер, целенаправленно не

используется скорость волнового движения жидкости.

Анализ научных трудов Анциферова М.С., Ардишева

С.Г., Боровикова В.А., Вовка А.А.. Крюкова Г.М., Матвеева

Б.П., Николаевского В.Н.. Певзора Б.Д., Павловой Н.Н., Регеля

В.Р., Спивака А.А., Фиппеля В.М. и других ученых определил новый

путь управления физико-механическими свойствами горных пород на

месте залегания, прежде всего для обеспечения проницаемости

массива путем его дробления и расчленения трещинами.

В их основе лежат явления дилатантного разуплотнения и

усталостных эффектов в массиве, происходящие в присутствии

жидкой фазы в условиях многоциклового низкоамплитудного

неравномерного нагружения массива направленными импульсными

волнами, при которых возникают сдвиговые напряжения и явления

усталостного характера, сопровождающиеся перемещением и

накоплением дефектов кристаллической структуры

пород, порождающих пористость массива.

Дилатантное разуплотнение происходит при высокой

степени неравномерности нагружения массива, ведущее к

возникновению больших сдвиговых напряжений, и представляет

собой сдвиг по кристаллическим плоскостям. Это могут быть

плоскости отдельных кристаллов или целых блоков. Сдвиг по

всему объему массива, подверженному неравномерному

нагружению, обеспечивает равномерную проницаемость всего

массива. Эффект дилатантного разуплотнения обеспечивается

многоцикловыми низкоамплитудными импульсными волнами,

создаваемыми с помощью генератора и передаваемыми через

скважину в массив.

Физические явления, происходящие в массиве, разуплотненном

многоцикловыми импульсными волнами, состоят в следующем.

В основе структурных изменений (на молекулярно-кристаллическом уровне),

обуславливающих трещинообразование и порообразование горных пород на месте

залегания, лежит несовершенство кристаллической структуры практически всех

твердых тел, а горных пород - в особенности, зернистость строения, наличие

микродефектов структуры (дефектов реальных кристаллов, дислокации), что

обуславливает специфические особенности поведения горных пород под нагрузкой.

Взаимодействие дефектов с полями напряжений определяют неупругие свойства

горных пород. В процессе движения дислокаций под воздействием внешней нагрузки

образуются сложные дислокационные поверхности-петли. Накапливаясь,

дислокации образуют микротрещины и поры в кристаллических телах.

Так как деформирование горных пород и других зернистых сред при

динамическом нагружении определяется видом напряженного состояния, то

дилатантное разуплотнение массива наиболее эффективно в том случае, если в

одной из плоскостей нагружения действуют растягивающее напряжение, а в двух

других - сжимающее. Такое напряженное состояние в массиве можно создать

многоцикловым импульсно-волновым нагружением массива с заданным вектором

частиц в волне.

При импульсно-волновом циклическом увеличении давления поровой

жидкости и направления вектора скорости частиц в волне внутри массива вдоль

напластовывания горных пород, прочность этих пород резко уменьшается

вследствие возникновения предельной неравномерности нагружения массива в

микрообъемах из-за различных давлений жидкости в порах, расположенных под

различными углами к направлению вектора скорости частиц в волне.

Кроме того, участки массива, охваченные импульсной волной, по мере

удаления ее от зоны излучения, приобретают все большее поперечное сечение и

соответственно амплитуду напряжений, но при этом сохраняют постоянную

позиционную картину нагруженности массива, а именно: за участком массива,

охваченного волной сжатия, вплотную следует участок с растягивающими

напряжениями, что способствует реализации дилатантного разуплотнения

массива.

Механизм усталостного разуплотнения при циклических нагружениях

включает три стадии. На первой стадии в твердом теле происходит

накопление упругих искажений кристаллической решетки вследствие

образования и перемещения дислокаций

На второй стадии, после определенного числа циклов нагружения упругим

напряжением, выявленные образования, движением и накоплением дислокаций,

достигают критических значений, появляются субмикроскопические

трещины. На третьей стадии субмикроскопические трещины развиваются до

размера микротрещин.

Установлено, что при обработке массива горных пород силовыми волнами,

обеспечивающими предельную неравномерность нагружения массива и

имеющими амплитуду напряжения, соизмеримую с прочностью горных пород

в условиях этой неравномерности, массив приобретает остаточную

наведенную проницаемость, которая сохраняется в течение времени,

достаточном для обработки месторождения методами скважинной

геотехнологии.

Для реализации модели дилатантного разуплотнения горных пород на

месте залегания были разработаны технические средства с различной

частотой и энергией нагружения массива для изменения его фильтрационных

характеристик и последующей отработки месторождения через скважины.

Принцип работы технических средств основан на воздействии на массив горных

пород направленными силовыми волнами, которые генерируют над устьем скважины и

используя столб технологической жидкости как волновод, передают в зону

продуктивного пласта, где их поворачивают отражателем в направлении пласта.

Амплитуду напряжений волн устанавливают из соотношения:

0,6 σу < σволн < 0,3 σв , где

σволн - максимальная амплитуда напряжения в волне; σу - предел упругости скелета

горной породы; σв - предел прочности горной породы.

При этом условии происходит изменение фильтрационных характеристик горного

массива.

Для реализации поставленной цели разработаны технические средства, а именно:

Установки импульсно-волновые с гидравлическим генератором импульсов

«ГИДРАВЛИКА-1Г» и с пневматическим генератором импульсов

«ПНЕВМАТИКА-1П», предназначенные для изменения проницаемости

околоскважинного и межскважинного пространства массивов с целью увеличенения или

уменьшения водопритока скважин, притока нефти и газа, изменения фильтрационных

свойств пласта, устранения газовой и твердой кольматации пласта и оборудования

путем воздействия на массив посредством направленных импульсных силовых волн.

Основные технические данные и характеристики

установки «ГИДРАВЛИКА-1Г»:

1. Частота ударов, с-1 (уд/мин)……………50-83,8

(3000-5000)

2. Энергия удара при частоте ударов 50 с-1, Дж,

не менее………….................................................294

3. Ударная мощность, кВт, не менее…………..14

4. Габаритные размеры установки, мм, не более:

- высота……………………......……..............1330

- диаметр….………………………………....330

5. Масса установки, кг, не более…..…………..200

6.Допустимый присоединительный вес колонны

НКТ с контейнером отражателем, кг,

не более…………………………………….60000

7. Глубина обработки скважины, м, не более…5000

Общий вид гидравлической установки

«ГИДРАВЛИКА-1Г» представлен на Рис. 1

Энергоносителем для гидравлической установки «ГИДРАВЛИКА-1Г» служит

маслостанция МС 160 с электроприводом мощностью 37 кВт и максимальным

давлением нагнетания 35 МПа. Маслостанция представлена на Рис. 2.

1. Маслобак

2. Привод насоса

3. Рама

4. Сапун

5. Гидрораспределитель РН 203-64Ф

6. Гидронасос 313.112.804.5

7. Регулятор потока МПГ 55-25

8. Клапан предохранительный МКПВ-20

9. Дроссель

10. Маслоохладитель

11. Гидродвигатель вентилятора Г15-21Н

12. Фильтр сливной ФС-200-40

13. Фильтр напорный 3ФГМ-32

Параметры автономной маслостанции МС 160-00-00 :

1. Мощность электродвигателя, кВт……...............................37

2. Тип насоса………….аксиально-поршневой, регулируемый

3. Расход рабочей жидкости, л/мин……………….. ……...160

4. Давление рабочий жидкости, МПа……….номинальное 16

максимальное 35

5. Мощность охладителя, кВт……………………...............20

6. Мощность нагревателя, кВт……………………………10

7. Тонкость фильтрации, мкм……………………………25

8. Емкость маслобака, л………………………………….300

9. Масса, кг………………………………………………800

10. Рабочая жидкость………………………..масло МТЕ-46

11. Габариты, мм…………………………….1320*1750*950

Принципиальная схема гидравлической

установки «ГИДРАВЛИКА-1Г» с

маслостанцией приведена на Рис.3, где:

1. Излучатель.

2. Гидравлический генератор импульсов.

3. Золотник.

4. Гидромотор.

5. Регулятор потока.

6. Гидрокоммуникации.

7. Гидрораспределитель.

8. Гидроклапан.

9. Манометр.

10. Фильтр напорный

11. Гидронасос.

12. Привод маслостанции.

13. Маслобак.

14. Охладитель.

15. Емкость.

16. Гидронасос охладителя.

17. Магистраль дренажная.

18. Дренаж гидрокоммуникаций.

19. Фильтр сливной.

Технические характеристики

установки «ПНЕВМАТИКА-1П»:

1. Ударная мощность, кВт, не менее………………4,3

2. Импульсное давление, создаваемое генератором

установки, МПа…………………………......20,0-30,0

3. Частота импульсов при давлении воздуха 0,6 МПа,

Гц, (уд/мин)……………………………..…33,3 (2000)

4. Габаритные размеры установки, мм, не более:

- высота…………………………………......…1250

- диаметр……………………………….…...…..300

5. Масса установки, кг, не более………………......150

6. Допустимый присоединительный вес колонны

НКТ с контейнером отражателем, кг, не боле…60000

7. Глубина обработки скважины, м, не более…...…3000

8. Внутренний диаметр обрабатываемых

скважин, мм……………………….……...…..100-350

Работает установка от источника сжатого воздуха с

параметрами:

-давление, МПа……………………………..….0,4-0,7

-расход, м3 *мин/кВт……………………...………3,4

Обработка скважин производится по разработанной методике на технологию интенсификации

работы нефте-газодобычных скважин пневматических и гидравлических установок,

утвержденной Комитетом по надзору за охраной труда Украины, и временной инструкцией на

технологию интенсификации работы скважины с использованием пневматических и

гидравлических установок, разработанной Центральной научно-исследовательской

лабораторией ОАО «Укрнефть» и утвержденной ГК «Укргаздобыча».

Основываясь на результатах экспериментальных (лабораторных) исследований керновых

образцов, стендовых испытаний этих же образцов на проницаемость и накопленного опыта

обработки продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин, определены следующие

режимы обработки:

Л и т о л о г и я п р о д у к т и в н о г о

г о р и з о н т аЧ а с т о т а , Г ц

Ш а г м е ж д у з о н а м и

о б р а б о т к и , м .

В р е м я о б р а б о т к и

з о н ы , м и н .

Песчанник мелкозернистый 17-22 0,2-0,4 10-15

Песчанник крупнозернистый 20-33 0,4-0,5 15-30

Песчанник глинистый 24-40 0,4-0,5 10-20

Известняк 30-50 0,2-0,4 40-60

Доломиты 40-80 0,2-0,5 15-60

С помощью таких установок были подготовлены

к эксплуатации месторождения для добычи

урана, а также блоки для подземной выплавки

серы на Яворском производственном

объединении «Сера» (Украина).

Также проводились работы по восстановлению

и увеличению дебитов водяных скважин в

Республике Крым и во многих областях

Украины.

Характерные графики изменения

проницаемости горных пород до обработки

и после представлены на рис. 5

На рис. 6 представлены

диаграммы изменения

дебитов водяных скважин

до и после волновой

обработки на Украине.

График изменения

приемистости скважин до

и после обработки на

одном из месторождений

Украины приведен

на рис. 7.

Начиная с 1997 года волновая технология была применена на нефтяных, газовых и

нагнетательных скважинах. Для решения этих вопросов была усовершенствована

технология и модернизировано оборудование для ее осуществления. Разработанное новое

оборудование отличается тем, что у него значительно повышена энергия ударных волн и

более высокий КПД использования энергии ударных волн, а также расширены

функциональные возможности, в силу обратной связи между физико-механическими

свойствами обрабатываемого массива горной породы и режимом его нагружения.

Это достигается за счет того, что через скважины в пласт горной породы подают

технологический раствор, на который воздействуют одновременно статическим

давлением и ударными волнами, которые передаются на забой по ставу НКТ. Причем

ударные волны генерируют низкой и высокой частоты с разной энергией удара.

Длительность воздействия волнами одной частоты изменяется в зависимости от

литологических свойств обрабатываемого массива горной породы. Обработка массива

силовыми волнами низкой частоты с высокой энергией приводит к созданию

трещиноватости, а высокой частоты - к заполнению созданных трещин жидкостью, т.е.

волновым транспортированием жидкой фазы в пласт.

Такое поочередное чередование позволяет с наименьшими затратами энергии

достичь наибольшего разуплотнения массива горной породы и тем самым повысить

его проницаемость.

Пример обвязки устья

нефтяных, газовых и

нагнетательных скважин при

обработке их силовыми

волнами показан на рис. 8, а

результаты проведенных

работ по воздействию на

продуктивный пласт

приведены в таблице.

Анализ результатов обработки нефтяных и газовых

скважин силовыми волнами свидетельствует о том, что

практически во всех случаях обработки заданных интервалов

зафиксированы увеличения приемистости жидкости в

скважину, а при правильном подборе скважин и предварительно

проведенных геофизических обследованиях, после обработки

скважин импульсными силовыми волнами получено увеличение

обратного притока углеводородного сырья.

Технология, способ обработки и оборудование защищены 14-

ю декларационными патентами Украины на изобретения и

декларационными патентами на полезную модель.

Среди важнейших направлений использования энергии волн упругой

деформации, определившихся в последние годы, следует отметить

использование их для технологии упрочнения и гидроизоляции

грунтов.

Экологические проблемы, возникшие в связи с резким подъемом

грунтовых вод и возникающими проблемами подтопляемости

гражданских и промышленных объектов, привели к необходимости

интенсивного проведения работ по совершенствованию способов

упрочнения и гидроизоляции грунтов.

Развитию метода также способствовало появление

тонкодисперсных разновидностей цемента и интенсивное

строительство горных и гидротехнических сооружений.

В группе методов по воздействию на грунт выделяются механические,

физические, физико-химические и химические методы.

В основу технологии реализации этих методов положено несколько

определяющих технологических принципов:

- уплотнение грунта производится путем нагнетания в скважину

жидкого раствора под давлением, обеспечивающим вытеснение

тампонажным раствором грунтовой воды из порового пространства;

- тип применяемых растворов должен соответствовать структуре,

гранулометрическому и минеральному составу породы и ее механическим

свойствам;

- инъекция раствора производится через систему вертикальных

скважин, пробуренных с определенным интервалом, величина которого

зависит от радиуса закрепления;

- уплотненный грунт или горная порода должна иметь первоначальную

проницаемость для транспортирования тампонажных растворов.

Применение существующих механических, физических, химических и других методов не

обеспечивает достаточно эффективного нагнетания тампонажных растворов в пласт из-

за совсем отсутствующей или недостаточной проницаемости массива. Для этого

необходимо обеспечить массиву наведенную проницаемость, которая сохраняется в

течении времени достаточном для нагнетания в него жидких тонкодисперсных растворов.

Приведенные выше технические средства пневматического и гидравлического принципа

действия используют также для снижения проницаемости вмещающих пород, т.е.

уплотнения грунтов, так и волнового транспортирования тампонажных растворов в

пласт.

Это достигается за счет того, что через скважины в пласт горной породы подают

жидкость, на которую воздействуют одновременно статическим давлением и ударными

волнами, которые передаются на забой по ставу НКТ. Причем ударные волны

генерируют с низкой и высокой частотой и с разной энергией удара. Длительность

воздействия волнами одной частоты изменяется в зависимости от литологических

свойств обрабатываемого массива горной породы. Обработка массива силовыми волнами

низкой частоты с высокой энергией приводит к созданию трещиноватости, а высокой

частоты и малой энергией – к заполнению созданных трещин жидкостью, т.е. волновым

транспортированием жидкой фазы в пласт и, при необходимости, полной закупорки

пласта или его зон.

На рис. 9 представлен вариант упрощенной

технологической схемы производства

упрочнения и гидроизоляции грунта

1. Установка «ПНЕВМАТИКА-1П».

2. Излучатель импульсов.

3. Переводник.

4. Магистраль тампонажных

растворов.

5. Трамбовка.

6. Тампонажный раствор.

7. Утрамбованная глина.

8. Грунт.

9. Колонна-инъектор.

10. Контейнер-отражатель.

11. Направление распространения

тампонажных растворов.

Основные технологические преимущества импульсной закачки

тампонажных растворов в грунт заключаются в следующем:

- радиус закрепления грунта превосходит в 6-8 раз значения, которые

достигаются с помощью методов инъекций статическим давлением

(при статическом закреплении радиус закрепления доходит до 500 мм);

- направленный характер распространения импульсов давления (вдоль

пласта) снимает ограничение на использование высоких давлений

нагнетания, которое накладывается на статические методы инъекции

из-за возможности выхода раствора на поверхность;

- значительно увеличивается скорость инъекций растворов и

соответственно на порядок сокращается время ведения работ;

- эта технология может быть использована для упрочнения и

гидроизоляции грунтов с использованием всего спектра веществ,

применяемых в традиционных физико-химических и химических

методах;

- технология позволяет проводить селективный тампонаж любого выбранного

интервала грунта простым перемещением отражателя в волноводе, а также

проводить инъектирование без применения труб с резиновыми манжетами,

которые используются в технологии французской фирмы «Соленташ»;

- технологическое оборудование позволяет производить запирание зон

проницаемости в продуктивном пласте (при необходимости) или локализовывать

водопритоки при добыче полезных ископаемых на глубинах до 6000 м, а также

создавать гидроизоляционные завесы и экраны в горных выработках, к которым

ограничен или невозможен доступ.

Предлагаемая технология может быть применена при борьбе с оползнями,

гидроизоляции промышленных отходов, плотин, дамб, при строительстве и

проходке горных выработок, сооружений метростроя.

Все результаты работ обобщаются. По результатам работ оборудование

постоянно совершенствуется, повышается его надежность и долговечность. Кроме

того разрабатываются другие, принципиально новые направления применения

волновой технологии в народном хозяйстве.

Специалисты искренне надеются, что разработанная и воплощенная в жизнь

волновая теория, технология и оборудование получат дальнейшее развитие как на

Украине, так и за рубежом.