Способ электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт и устройство для его осуществления

Способ электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано при выполнении работ на глубинах, превышающих 2000 м.

Известно устройство для воздействия на нефтяной пласт, принцип работы которого базируется на «электрогидравлическом эффекте», позволяющем повысить продуктивность обрабатываемого пласта.

В этом устройстве, включающем оснащенный пультом управления наземный источник электропитания, скважинный аппарат выполнен в виде полого цилиндрообразного корпуса и содержит в себе зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов (трансформаторно-выпрямительный блок с импульсными высоковольтными конденсаторами, соединенными параллельно) и разрядный блок, оснащенный двумя электродами, управляемым разрядником и блоком поджига. Ввод электрической энергии в скважинный аппарат осуществляется посредством электропитающего кабеля через кабельный наконечник, который является промежуточным (поддерживающим) звеном при размещении скважинного аппарата в скважине [1].

Недостатки этого устройства заключаются в следующем.

В процессе его работы электроды разрядного блока находятся непосредственно в обрабатываемой среде, которой в скважине, в призабойной зоне и в нефтяном пласте могут быть техническая вода со степенью минерализации до 1,24, глинистые растворы и нефти с различной степенью загазованности, а также и их суспензии.

Такая обрабатываемая среда характеризуется или повышенной электрической проводимостью (снижающей пробивное напряжение разрядного промежутка), или, наоборот, усложненными условиями для создания пробоя за счет ее электроизолирующих свойств, а также и за счет повышенных окружающих давлений, достигающих величин десятков атмосфер («кривая Пашена»).

Вследствие вышеуказанного рабочего расположения электродов и свойств обрабатываемой среды возникают следующие эксплуатационные сложности.

При высокой проводимости среды в скважине (соляной раствор) устройство входит в режим короткого замыкания или «утечки» энергии разряда и соответственно становится неэффективным за счет снижения величины энергии, фактически расходуемой на создание импульса давления. При этом, если в номинальном режиме разряда накопленной энергии длительность переднего фронта импульса тока носит взрывной характер с длительностью 15-50 мкс, то в режиме «утечки» длительность переднего фронта тока возрастает до 500-1500 мкс и более. В этом случае создание взрывного импульсного режима выделения электрической энергии и импульса давления невозможно.

Предпробивные потери энергии в режиме «утечки» достигают 13%, а их компенсация приводит к росту массогабаритных показателей скважинного аппарата. Рост этих показателей происходит за счет увеличения габаритов и массы блока накопительных конденсаторов, являющегося следствием увеличения в нем количества накопительных конденсаторов, которое и позволяет снижать (устранять) предпробивные потери.

Так, например, при одной из практических реализаций электрогидравлического воздействия на нефтеносный пласт, скважинный аппарат имел диаметр 250 мм и длину 3500 мм, в то время как энергия разрядного импульса не превышала 18 Дж.

Эксплуатация скважинного аппарата с такой незначительной энергией разрядного импульса энергии, даже на глубинах до 1500 м, малоэффективна, а его габаритные размеры ограничивают обработку обсадной трубы с пониженными диаметрами, с переменной конфигурацией уклонов по сечению пласта и затрудняют его перемещение от скважины к скважине.

Кроме того, в связи с ростом пробивных напряжений при достижении глубин в скважине до 2000 м и более и за счет увеличения электропрочности нефтяной среды, в скважинном аппарате приходится уменьшать величину разрядного промежутка. Это должно обеспечивать гарантированный пробой, но фактически уменьшает выделяемую между электродами энергию, в результате чего с прямо пропорциональной зависимостью снижается эффективность обработки пласта.

Вместе с этим, взаимосвязь и взаимовлияние параметров скважинного аппарата и скважины, таких как давление, искровой зазор, проводимость среды, энергопотери, приводят к нестабильности энерговыделения в широком диапазоне запасенных энергий, к необходимости проведения предпускового анализа и подготовки аппарата к каждому использованию с учетом характеристик конкретной скважины. Это существенно усложняет эксплуатацию скважинного аппарата, затрудняет выбор оптимальных параметров обработки, а прогноз эффективности воздействия на пласт делает не всегда достоверным.

Таким образом, использование данного устройства для воздействия на нефтяной пласт на глубинах, например, в 2000 м представляется весьма проблематичным, в том числе и из-за возможности несрабатывания его разрядного блока.

Кроме того, известно устройство для электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт, в котором электроды разрядного блока во время работы скважинного аппарата должны быть изолированы от обрабатываемой среды. Это обеспечивается введением в конструкцию разрядного блока дополнительного корпуса, выполненного в виде полого цилиндра и имеющего достаточно маленький внутренний объем [2].

Однако данное устройство, а следовательно, и реализуемый на нем способ электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт, которые по своей технической сущности являются наиболее близкими к изобретению и приняты в качестве соответствующего прототипа, имеет ряд существенных недостатков.

Первый из них заключается в том, что использование дополнительного корпуса в виде полого цилиндра не обеспечивает устойчивой изоляции электродов от обрабатываемой среды. Разработчики данного устройства сами указывают на возможность «случайного попадания окружающей гидросреды под электроды и возникновения ее контакта с электродами». Следовательно, использование этого устройства на глубинах, близких к 2000 м, точно так же как и выше охарактеризованного устройства, представляется весьма проблематичным, поскольку сохраняется некоторая возможность несрабатывания его разрядного блока.

Второй и наиболее важный недостаток этого устройства, равно как и выше охарактеризованного, заключается в том, что оно, в силу конструктивных особенностей своего блока накопительных конденсаторов, предназначено в основном для обработки (очистки) призабойной зоны на глубинах не более 1500 м, поскольку развивает мощность разрядного импульса в пределах всего лишь 100-300 Дж.

Такая мощность разрядного импульса не позволяет осуществить площадное воздействие на пласт и не позволяет работать на глубинах более 1500-2000 м, в то время как подавляющее большинство скважин, например в западной Сибири Российской Федерации и в Канаде, имеют нефтеносные пласты на глубинах в 2500-2700 и более м.

Обычно для увеличения мощности разрядного импульса идут по пути увеличения емкости накопительного кондесатора, т.к. мощность его разрядного импульса равна половине произведения емкости конденсатора и квадратичного значения напряжения, на него подаваемого. Однако, это, как было указано выше, приводит к резкому увеличению габаритных размеров скважинного аппарата и затрудняет его эксплуатацию.

Негативные конструктивные особенности блока накопительных конденсаторов известных устройств заключаются в том, что его накопительные конденсаторы, как при их зарядке, так и при их разрядке, имеют параллельное соединение между собой, а это не позволяет обеспечить в разрядном блоке пробивное напряжение выше 20 кВт (работоспособность электропитающего кабеля, требования техники безопасности) и не позволяет получить мощность разрядного импульса более 1 кДж, необходимую («кривая Пашена» /представлена в протитипе/) для эффективной работы на больших глубинах.

Прямого указания на такое (параллельное) соединение накопительных конденсаторов в описании изобретения [2] нет, но информация имеется в книге Л.Я.Попилова «Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов» (Глава 13, «Электрогидравлическая обработка», стр.265-270, рис.1, 2 и 3), Москва, «Машиностроение», 1982 г.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка такого устройства и такого способа его использования, которые при минимально возможных габаритах скважинного аппарата позволят осуществлять добычу нефти на глубинах более 2000 м и эффективно выполнять площадное воздействие на обрабатываемый пласт.

Решение данной задачи в изобретении достигается техническими результатами, которые в процессе добычи нефти обеспечивают создание в разрядном блоке скважинного аппарата пробивного напряжения выше 20 кВт и получение мощности разрядного импульса в своем значении, превышающем 1 кДж.

Поставленная задача в способе электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт, включающем размещение в скважине в зоне воздействия на пласт скважинного аппарата, который соединен с наземным источником электропитания и содержит электрически взаимосвязанные между собой зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов и разрядный блок, оснащенный электродами, и последующие за этим подачу постоянного напряжения от наземного источника электропитания на зарядное устройство, зарядку блока накопительных конденсаторов при их параллельном соединении до необходимой величины напряжения и разрядку блока накопительных конденсаторов, обеспечивающую поступление его выходного напряжения на электроды разрядного блока, достигается за счет того, что накопительные конденсаторы, после окончания зарядки их блока, переключают в последовательное соединение, а затем производят разрядку блока накопительных конденсаторов, обеспечивая увеличение его выходного напряжения пропорционально-ступенчато количеству конденсаторов, при этом величину постоянного напряжения, подаваемого на зарядное устройство, устанавливают в пределах 300-150 В, максимальное значение необходимой величины напряжения для зарядки блока накопительных конденсаторов принимают равным 20-27 кВ, а зарядку блока накопительных конденсаторов до необходимой величины напряжения осуществляют, преимущественно, в течение 20 с.

Этому же способствует также и то, что:

- переключение накопительных конденсаторов с одного вида их соединения на другой производят в автоматическом режиме;

- величину напряжения, подаваемого на зарядное устройство, в процессе зарядки блока накопительных конденсаторов, устанавливают постоянной и/или изменяют ее значение;

- величину напряжения изменяют плавно и/или скачкообразно;

- величину напряжения изменяют, преимущественно, в сторону увеличения ее значения;

- величину напряжения изменяют, по меньшей мере, один раз.

Поставленная задача в устройстве для осуществления способа по п.1, включающем оснащенный пультом управления наземный источник электропитания и скважинный аппарат, который посредством электрического кабеля соединен с источником электропитания, выполнен в виде полого цилиндрообразного корпуса, перегородками разделенного на герметичные отсеки, и содержит в себе электрически взаимосвязанные между собой и последовательно расположенные зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов и разрядный блок, оснащенный электродами, достигается за счет того, что скважинный аппарат дополнительно снабжен установленным в его полости коммутирующим средством, которое соединено с пультом управления и взаимосвязано с источником электропитания, работает в автоматическом режиме и на соответствующих этапах работы скважинного аппарата обеспечивает в блоке накопительных конденсаторов переключение накопительных конденсаторов с их параллельного соединения на последовательное соединение и, наоборот, с последовательного соединения на параллельное, при этом коммутирующее средство выполнено, преимущественно, на базе газовых быстродействующих разрядников, установлено в одном отсеке с блоком накопительных конденсаторов, а отсек, в котором расположены блок накопительных конденсаторов и коммутирующее средство, заполнен электроизолирующей средой.

Этому же способствует также и то, что:

- отсек, в котором расположены блок накопительных конденсаторов и коммутирующее средство, заполнен, преимущественно, жидкой электроизолирующей средой;

- электроизолирующая среда выполнена на базе, преимущественно, термостойкой кремнийорганической жидкости;

- отсек электроизолирующей средой заполнен таким образом, что, при условии вертикального расположения скважинного аппарата, все комплектующие изделия, находящиеся в указанном отсеке, полностью погружены в электроизолирующую среду и при этом в нем имеется некоторая воздушная подушка;

объем воздушной подушки составляет не менее 15% от объема электроизолирующей среды.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых схематично представлены:

На фиг.1 - вертикальный разрез обрабатываемой скважины.

На фиг.2 - продольный разрез скважинного аппарата на стадии зарядки блока накопительных конденсаторов.

На фиг.3 - продольный разрез скважинного аппарата на стадии разрядки блока накопительных конденсаторов.

Устройство для электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт включает в себя (см. фиг.1-3) оснащенный пультом управления 1 наземный источник электропитания 2 и скважинный аппарат 3, который посредством электрического, например, каротажного кабеля 4 соединен с источником электропитания 2, выполнен в виде полого цилиндрообразного корпуса, электроизолирующей перегородкой 5 разделенного на герметичные отсеки 6, 7, и содержит в себе электрически взаимосвязанные между собой и последовательно расположенные зарядное устройство 8, блок 9 накопительных конденсаторов 10 и разрядный блок, оснащенный электродами 11, 12 и спусковым устройством 13, которое может быть выполнено в виде, например, газонаполненного разрядника. Скважинный аппарат 3 снабжен установленным в его полости коммутирующим средством 14, которое соединено с пультом управления 1 и взаимосвязано с источником электропитания 2, работает в автоматическом режиме и на соответствующих этапах работы скважинного аппарата 3 обеспечивает в блоке 9 накопительных конденсаторов 10 переключение накопительных конденсаторов 10 с их параллельного соединения (фиг.2) на последовательное соединение (фиг.3) и, наоборот, с последовательного соединения - на параллельное. Коммутирующее средство 14 выполнено, преимущественно, на базе газовых быстродействующих разрядников 15 и установлено в одном отсеке 6 с блоком 9 накопительных конденсаторов 10. Отсек 6, в котором расположены блок 9 накопительных конденсаторов 10 и коммутирующее средство 14, заполнен электроизолирующей средой (на чертежах не показана), которая представляет собой жидкую кремнийорганическую жидкость, например, жидкость «Пента - ТРМС - 110». Этот отсек электроизолирующей жидкостью заполнен таким образом, что, при условии вертикального расположения скважинного аппарата 3, все комплектующие изделия, находящиеся в данном отсеке, полностью погружены в электроизолирующую жидкость и при этом в отсеке имеется некоторая воздушная подушка, объем которой составляет не менее 15% от объема электроизолирующей жидкости. Такие электроизолирующая среда и вариант заполнения полости отсека обеспечивают наиболее благоприятные условия для работы вышеуказанных комплектующих изделий. Отсек 7, в котором расположены электроды 11 и 12, взаимосвязанные, соответственно, с выходом блока 9 накопительных конденсаторов 10 и с корпусом скважинного прибора 3, выполнен со сквозными окнами 16, обеспечивающими доступ в его полость обрабатываемой среды 19, которой заполнена скважина 17.

Ниже приводится пример конкретной реализации предлагаемого способа, не исключающий других вариантов его осуществления в объеме формулы изобретения.

Предварительно (см. фиг.1) скважинный снаряд 3 посредством электрического кабеля 4 опускают в скважину 17, заполненную, например, флюидом (при необходимости в скважину заливают рабочую жидкость) и располагают его в зоне предполагаемого воздействия на нефтенесущий пласт 18, требующий соответствующей обработки. Вследствие этого отсек 7 скважинного аппарата 3 через окна 16 заполняется флюидом и электроды 11 и 12 оказываются полностью в него погруженными. Затем наземный блок питания 2 соединяют с промышленной электрической сетью (напряжение 220 В, частота 50 Гц) и с помощью пульта управления 1 включают его. Блок питания 2 преобразует напряжение 220 В в постоянное регулируемое напряжение (диапазон 300-150 В) и по электрическому кабелю 4 передает его (например, 200 В и не изменяемое по величине) в зарядное устройство 3, обеспечивающее зарядку блока 9 накопительных конденсаторов 10 (три конденсатора, конденсаторы соединены параллельно, емкость каждого конденсатора 3 микрофарады /возможно 25 и более/) до величины в 20 кВ. Зарядку блока накопительных конденсаторов осуществляют в течение 20 с (время зарядки может быть значительно увеличено, а максимальное значение величины зарядки блока накопительных конденсаторов может составлять 25-27 и несколько более киловольт). После окончания зарядки блока 9 накопительных конденсаторов 10, накопительные конденсаторы с помощью коммутирующего устройства 14 по соответствующей команде с пульта управления 1 в автоматическом режиме из параллельного соединения (фиг.2) переключают на последовательное соединение (фиг.3). Затем с пульта управления 1 на спусковое устройство 13 выдают команду на электрическое соединение блока накопительных конденсаторов с разрядным блоком.

В результате этого соединения происходит разрядка блока накопительных конденсаторов, обеспечивающая поступление его выходного напряжения (пробивное напряжение) на электроды 11 и 12 разрядного блока. Величина этого пробивного напряжения пропорциональна количеству накопительных конденсаторов, представляет собой сумму напряжений, накопленных каждым из них, и при указанных выше параметрах составляет 40-42 кВ, что позволяет получить энергию разряда в пределах 1,6-1,8 кДж. При несколько иных параметрах пробивное напряжение может быть увеличено до 75-81 кВ, а энергия разрядного импульса может быть доведена до 3 кДж.

Особенностью предлагаемого технического решения является образование ударных давлений внутри объема любой жидкости, возникающих при протекании в ней электрического импульсного разряда. Действием возникающих разрядов внутри объема жидкости создаются значительные перемещения последней, приводящие к образованию кавитационной полости с последующим ее смыканием. Результатом единичного электрического разряда является гидравлический удар, представляющий совокупность двух гидравлических ударов: основного, возникающего, когда жидкость раздвигается, и кавитационного, возникающего при смыкании полости. Давления, возникающие при электрогидравлическом ударе, тем выше, чем более плотна используемая жидкость, чем мощнее импульс и чем круче его фронт.

Цикл, состоящий из этих двух ударов, может повторяться с необходимой частотой в соответствии с частотой следования разрядов. Частота следования разрядов в предлагаемом техническом решении составляет 0,2-0,01 Гц.

Целенаправленное использование гидравлических ударов, создаваемых предлагаемым устройством в зоне предполагаемого воздействия на нефтенесущий пласт, позволяет осуществлять пластовое воздействие с целью повышения дебита скважин нефтегазовых месторождений (радиус такого воздействия - 1500 м, глубина - любая, скважинный аппарат для такого воздействия имеет внешний диаметр 102 мм и длину 2,5 м). Для увеличения проницаемости прискважинной зоны пласта, для очистки перфорационных отверстий и пор коллекторов от механических примесей и других загрязнений, для развития систем трещин в пласте может быть использован другой скважинный аппарат: его внешний диаметр равен 102 мм, а длина не превышает 1,5 м. Причем достаточно маленькие габаритные размеры этих скважинных аппаратов позволяют эксплуатировать их в условиях скважин с любой конфигурацией уклонов по сечению пласта и с любыми оперативными перемещениями от скважины к скважине.

Однако, прежде чем подробно рассматривать достоинства предлагаемого устройства, необходимо завершить технологический цикл работы его скважинного аппарата, прерванный на этапе получения первого разряда.

После завершения разрядки блока 9 накопительных конденсаторов они с помощью коммутирующего устройства 14 в автоматическом режиме из последовательного соединения (фиг.3) переключаются на параллельное соединение (фиг.2). После этого первый технологический цикл работы скважинного аппарата 3 окончен и устройство вновь готово к продолжению работы, которая при соответствующих командах с пульта управления 1 может вестись уже с другими технологическими параметрами. Следует отметить, что наиболее эффективные работа предлагаемого устройства и реализация предлагаемого способа достигаются в том случае, когда из обрабатываемой зоны скважины откачивают скважинную жидкость.

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого технических решений показывает значительные преимущества последнего из них. Во-первых, это обеспечение возможности пластового воздействия на нефтенесущий пласт. Во-вторых, это обеспечение возможности проведения работ на глубинах более 3000 м. В-третьих, это минимальные размеры (в сравнении с аналогом: диаметр - в 2,5 раза меньше, длина - в 1,04 или в 2,3 раза короче).

Источники информации

1. Л.Ф.Петряшин, Г.Н.Лысяной, В.В.Желтоухов. «Об исследованиях эффективности использования электроимпульсов для интенсификации добычи нефти», Труды института ИФИНГ, вып.13, 1976, с.92-93.

2. Патент РФ №2283951, «Электрогидравлическое импульсное устройство», 2006 г.

1. Способ электрогидравлического воздействия на нефтяной пласт, включающий размещение в скважине в зоне воздействия на пласт скважинного аппарата, который соединен с наземным источником электропитания и содержит электрически взаимосвязанные между собой зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов и разрядный блок, оснащенный электродами, и последующие за этим подачу постоянного напряжения от наземного источника электропитания на зарядное устройство, зарядку блока накопительных конденсаторов при их параллельном соединении до необходимой величины напряжения и разрядку блока накопительных конденсаторов, обеспечивающую поступление его выходного напряжения на электроды разрядного блока, отличающийся тем, что накопительные конденсаторы после окончания зарядки их блока переключают в последовательное соединение, а затем производят разрядку блока накопительных конденсаторов, обеспечивая увеличение его выходного напряжения пропорционально-ступенчато количеству конденсаторов, при этом величину постоянного напряжения, подаваемого на зарядное устройство, устанавливают в пределах 300-150 В, максимальное значение необходимой величины напряжения для зарядки блока накопительных конденсаторов принимают равным 20-27 киловольтам, а зарядку блока накопительных конденсаторов до необходимой величины напряжения осуществляют, преимущественно, в течение 20 секунд.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переключение накопительных конденсаторов с одного вида их соединения на другой производят в автоматическом режиме.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину напряжения, подаваемого на зарядное устройство, в процессе зарядки блока накопительных конденсаторов устанавливают постоянной и/или изменяют ее значение.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину напряжения изменяют плавно и/или скачкообразно.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину напряжения изменяют преимущественно в сторону увеличения ее значения.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину напряжения изменяют, по меньшей мере, один раз.

7. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее оснащенный пультом управления наземный источник электропитания и скважинный аппарат, который посредством электрического кабеля соединен с источником электропитания, выполнен в виде полого цилиндрообразного корпуса, перегородками разделенного на герметичные отсеки, и содержит в себе электрически взаимосвязанные между собой и последовательно расположенные зарядное устройство, блок накопительных конденсаторов и разрядный блок, оснащенный электродами, отличающееся тем, что скважинный аппарат дополнительно снабжен установленным в его полости коммутирующим средством, которое соединено с пультом управления и взаимосвязано с источником электропитания, работает в автоматическом режиме и на соответствующих этапах работы скважинного аппарата обеспечивает в блоке накопительных конденсаторов переключение накопительных конденсаторов с их параллельного соединения на последовательное соединение и, наоборот, с последовательного соединения на параллельное, при этом коммутирующее средство выполнено преимущественно на базе газовых быстродействующих разрядников, установлено в одном отсеке с блоком накопительных конденсаторов, а отсек, в котором расположены блок накопительных конденсаторов и коммутирующее средство, заполнен электроизолирующей средой.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что отсек, в котором расположены блок накопительных конденсаторов и коммутирующее средство, заполнен преимущественно жидкой электроизолирующей средой.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что электроизолирующая среда выполнена на базе преимущественно термостойкой кремнийорганической жидкости.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что отсек электроизолирующей средой заполнен таким образом, что при условии вертикального расположения скважинного аппарата все комплектующие изделия, находящиеся в указанном отсеке, полностью погружены в электроизолирующую среду и при этом в нем имеется некоторая воздушная подушка.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что объем воздушной подушки составляет не менее 15% от объема электроизолирующей среды.