способ восстановления скважины и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ восстановления скважины, включающий молекулярно-волновое воздействие на колонну труб в скважине и нефтяной пласт, отличающийся тем, что одновременно с молекулярно-волновым воздействием на колонну труб в скважине осуществляют молекулярно-волновое воздействие на смолопарафинистые отложения в колонне труб и столб жидкости в скважине, причем молекулярно-волновое воздействие осуществляют непосредственно через верхние торцы колонны труб и смолопарафинистых отложений и верхний уровень столба жидкости в скважине, при этом одновременно с молекулярно-волновым воздействием осуществляют дополнительное совместное механическое и физическое воздействие на колонну труб, смолопарафинистые отложения, столб жидкости в скважине и нефтяной пласт и химическое воздействие на смолопарафинистые отложения и нефтяной пласт.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механическое воздействие осуществляют путем импульсной подачи жидкости в скважину.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что молекулярно-волновое воздействие осуществляют путем приложения молекулярно-волновых импульсов сжатия и растяжения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что физическое воздействие осуществляют кавитацией по поверхностям раздела колонны труб, смолопарафинистых отложений и столба жидкости в скважине.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что кавитацию получают путем воздействия противофазных молекулярно-волновых поперечных относительно оси скважины импульсов сжатия и растяжения, развивающих мощность не менее 20 Вт/см².

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что сдвиг фаз между импульсами напряжений сжатия и растяжения создают равным /2./2

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что физическое воздействие осуществляют приложением тепловой энергии.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что приложение тепловой энергии осуществляют путем нагнетания пара в затрубное пространство.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что механическое и физическое воздействие на нефтяной пласт осуществляют путем приложения к нему гидравлических ударов.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что гидравлические удары создают путем накладывания на прямые импульсы напряжений в столбе жидкости обратных импульсов напряжений, отраженных от забоя скважины.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что химическое воздействие осуществляют путем заполнения скважины и призабойной зоны жидким химическим агентом.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве жидкого химического агента используют пластовую нефть.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве жидкого химического агента используют пластовую воду.

14. Устройство для восстановления скважины, включающее ударник и излучатель, отличающееся тем, что излучатель упруго соединен с корпусом ударника и выполнен в виде преобразователя импульсных нагрузок в молекулярно-волновые колебания, выполненного за одно целое с передатчиками молекулярно-волновых колебаний на верхние торцы колонны труб и смолопарафинистых отложений и на верхний уровень столба жидкости в скважине.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что передатчик молекулярно-волновых колебаний на верхний торец смолопарафинистых отложений и на верхний уровень столба жидкости выполнен в виде плунжера с диаметром под внутренний диаметр колонны труб, преобразователь импульсных нагрузок в молекулярно-волновые колебания выполнен за одно целое с плунжером и в виде удлиненного его хвостовика, а передатчик молекулярно-волновых колебаний на верхний торец колонны труб в виде выступа на наружной поверхности плунжера в месте его перехода в удлиненный хвостовик.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что хвостовик плунжера и выступ на его наружной поверхности выполнены цилиндрической формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для восстановления скважины от смоло-парафинистых отложений, образовавшихся в колонне труб в скважине и в самом нефтяном пласте.

Известен способ восстановления скважины, включающий нанесение ударов падающим грузом по нефтяному пласту через забой скважины и создание тем самым упругих колебаний в пласте.

Недостатком известного способа является то. что воздействию подвергается только нефтяной пласт, а скважина не подвергается воздействию. Из-за этого если в эксплуатационной колонне труб возникли смоло-парафинистые отложения. то нет возможности избавиться от них данным воздействием.

Известен способ восстановления скважины, включающий циклически последовательно выполняемые нагнетания в колонну труб углеводородного газа, выдержку скважины под давлением и резкое снижение давления, при этом процессы нагнетания и снижения давления осуществляют в пульсирующем режиме с периодическими остановками.

Недостатком известного способа является недостаточная энергия воздействия, поскольку воздействие осуществляется лишь на сами смоло-парафинистые отложения без воздействия на колонну труб, в результате чего осложнено ослабление и разрыв адгезионной связи отложений с колонной труб, затруднен отрыв этих отложений от тела труб и их разрыхление и последующее дробление.

Известен способ восстановления скважины, включающий молекулярно-волновое воздействие на колонну труб в скважине, передачу этого воздействия по колонне труб вниз к призабойной зоне и тем самым очистку перфорационных отверстий от закупоривающих частиц и воздействие в дальнейшем на нефтяной пласт.

Недостатком воздействия на колонну труб по известному способу является ударное воздействие на их торцы с последующим трансформированием энергии удара в молекулярноволновые колебания тела труб на удалении от места контакта вибратора с торцом трубы. Такое преобразование энергий на небольшом участке трубы вызывает его перенасыщение напряжениями сжатия, вызывающими необратимые пластические деформации. В результате торец трубы теряет свою устойчивость, изменяет форму и разрушается.

Кроме того, превышение глубины скважины над ее поперечным сечением в несколько тысяч раз не позволяет в чрезвычайно стесненных условиях рассредоточить по всей глубине скважины необходимое количество энергии для эффективного ее восстановления, очистки и воздействия на нефтяной пласт одним видом энергетического источника, поскольку степень воздействия по известному способу ограничивается прочностью скважины, габаритами и материалоемкостью источников энергии.

Целью изобретения является повышение степени воздействия на нефтяной пласт и на скважину по всей глубине без ее разрушения, а также снижение энергетической перенасыщенности неосновных процессов.

Известно устройство для восстановления скважины, включающее ударник в виде падающего груза и излучатель в виде сбрасываемой на забой скважины наковальни.

Недостатком известного устройства является то, что воздействие осуществляется сбрасываемым грузом, который ударяет по наковальне, свободно размещаемой на забое скважины, заполненной жидкостью. В результате энергия удара значительно рассеивается в окружающую среду (в жидкость, заполняющую скважину), тем самым снижается степень воздействия на сам объект (в данном случае нефтяной пласт). Кроме того, непосредственному воздействию не подвергается колонна труб в скважине, что не способствует их очищению от смоло-парафинистых отложений, возникающих в результате эксплуатации скважины.

Целью изобретения является также повышение степени воздействия на нефтяной пласт и на скважину по всей глубине без ее разрушения.

Это достигается тем что в способе восстановления скважины, включающем молекулярно-волновое воздействие на колонну труб в скважине и нефтяной пласт6 одновременно с молекулярно-волновым воздействием на колонну труб в скважине осуществляют молекулярно-волновое воздействие на смоло-парафинистые отложения в колонне труб и столб жидкости в скважине, причем молекулярно-волновое воздействие осуществляют непосредственно через верхние торцы колонны труб и смоло-парафинистых отложений и верхний уровень столба жидкости в скважине, при этом одновременно с молекулярно-волновым воздействием дополнительно осуществляют совместное механическое и физическое воздействие на колонну труб, смоло-парафинистые отложения, столб жидкости в скважине и нефтяной пласт, и химическое воздействие на смоло-парафинистые отложения и нефтяной пласт.

А также тем, что механическое воздействие осуществляют путем импульсной подачи жидкости в скважину.

А также тем, что молекулярно-волновое воздействие осуществляют путем приложения молекулярно-волновых импульсов сжатия и растяжения.

А также тем, что физическое воздействие осуществляют кавитацией по поверхностям раздела колонны труб, смоло-парафинистых отложений и столба жидкости в скважине.

А также тем, что кавитацию получают путем воздействия противофазных молекулярно-волновых поперечных относительно оси скважины импульсов сжатия и растяжения развивающих мощность не менее 20 Вт/см².

А также тем, что сдвиг фаз между импульсами напряжений сжатия и растяжения создают равным /2..

А также тем, что физическое воздействие осуществляют приложением тепловой энергии.

А также тем, что приложение тепловой энергии осуществляют путем нагнетания пара в затрубное пространство.

А также тем, что механическое и физическое воздействия на нефтяной пласт осуществляют путем приложения к нему гидравлических ударов.

А также тем, что гидравлические удары создают путем накладывания на прямые импульсы напряжений в столбе жидкости обратных импульсов напряжений, отраженных от забоя скважины.

А также тем, что химическое воздействие осуществляют путем заполнения скважины и призабойной зоны жидким химическим агентом.

А также тем, что в качестве жидкого химического агента используют пластовую нефть.

А также тем, что в качестве жидкого химического агента используют пластовую воду.

Цель достигается также тем, что в устройстве для восстановления скважины, включающем ударник и излучатель, излучатель упруго соединен с корпусом ударника и выполнен в виде преобразователя управляемых импульсных нагрузок в молекулярно-волновые колебания, выполненного за одно целое с передатчиками молекулярно-волновых колебаний на колонну труб, смоло-парафинистые отложения и столб жидкости в скважине.

А также тем, что передатчик молекулярно-волновых колебаний на смоло-парафинистые отложения и столб жидкости выполнен в виде плунжера с диаметром под внутренний диаметр колонны труб, преобразователь управляемых импульсных нагрузок в молекулярно-волновые колебания выполнен за одно целое с плунжером и в виде удлиненного его хвостовика, а передатчик молекулярно-волновых колебаний на колонну труб в виде выступа на наружной поверхности плунжера в месте его перехода в удлиненный хвостовик

А также тем, что хвостовик плунжера и выступ на его наружной поверхности выполнены цилиндрической формы.

На фиг. 1 представлен продольный разрез скважины с смонтированным на ее устье устройством; на фиг. 2 схема взаимодействия всех видов воздействия на колонну труб, смоло-парафинистые отложения в трубах и нефтяную пленку (если она есть); на фиг. 3 схема воздействия гидравлических ударов в призабойной зоне; на фиг. 4 размещение плунжера в верхней части колонны труб; на фиг. 5 устройство восстановления скважины.

Устройство для восстановления скважины включает ударник с корпусом 1 и бойком 2. В качестве ударника может быть использован, например, импульсный гидропневмопривод. С корпусом 1 ударника упруго соединен излучатель 3, выполненный в виде преобразователя 4 управляемых импульсных нагрузок в молекулярно-волновые колебания. Преобразователь 4 выполнен за одно целое с передатчиком молекулярно-волновых колебаний 5 на смоло-парафинистые отложения и столб жидкости в скважине и передатчиком молекулярно-волновые колебаний 6 на колонну труб в скважине.

Передатчик молекулярно-волновых колебаний 5 на смолопарафинистые отложения и столб жидкости выполнен в виде плунжера с диаметром под внутренний диаметр колонны труб. На наружной поверхности плунжера могут быть размещены уплотнения 7 для более плотного прилегания к внутренней поверхности колонны труб 8. Преобразователь 4 управляемых импульсных нагрузок в молекулярно-волновые колебания выполнен за одно целое с плунжером и в виде удлиненного его хвостовика, а передатчик молекулярно-волновых колебаний 6 на колонну труб 8 выполнен в виде выступа на наружной поверхности плунжера в месте его перехода в удлиненный хвостовик. Хвостовик плунжера и выступ на его наружной поверхности могут быть выполнены любой формы, например, цилиндрической. Упругое соединение излучателя 3 с корпусом 1 ударника может быть выполнено с помощью, например, шпилек 9, жестко соединенных гайками 10 с выступом на наружной поверхности плунжера и подпружиненных пружинами 11 относительно корпуса 1 ударника посредством гаек 12 на шпильках 9 и фланца 13 на корпусе 1, при этом шпильки 9 свободно пропущены через отверстия 14 на фланце 13.

Излучатель 3 монтируется на верхнем конце колонны труб 8 так, что его плунжер плотно входит во внутренний канал колонны труб 8 (фиг. 4, узел Ш фиг. 1) и располагается на смоло-парафинистых отложениях 15 и столбе жидкости 16, заполняющей скважину 17. Хвостовик излучателя монтируется в корпусе 1 ударника, расположенном выше, а выступ 6 на наружной поверхности плунжера на верхнем торце 18 колонны труб 8. Скважина 17 обсажена обсадной колонной 19 с фильтровой частью 20 напротив нефтяного пласта 21. На верхнем конце обсадной колонны 19 монтируется головка 22 с нагнетательной магистралью 23 для подключения насосов. На смоло-парафинистых отложениях 15 колонны труб 8 может быть образована нефтяная пленка 24.

Способ осуществляется следующим образом. Смонтировав ударник с излучателем 3 на верхнем конце колонны труб 8 так, как это было описано выше (см. фиг.1), и запустив его в работу, начинают наносить бойком 2 удары по преобразователю 4. В преобразователе 4 управляемые импульсные нагрузки преобразуются в молекулярно-волновые колебания, которые далее распространяются в выполненные за одно целое с ним передатчики 5 и 6. Так как передатчики 5 и 6 прижаты к смоло-парафинистым отложениям 15, столбу жидкости 16 в скважине и к торцу колонны труб 8, то молекулярно-волновые колебания одновременно распространяются по этим средам.

Одновременная передача молекулярно-волновых колебаний по различным по плотности материалам колонны труб 8, столба жидкости 16 в ней и смоло-парафинистых отложений 15 вызывает в них перемещение волн молекулярно-волновых импульсов сжатия и растяжения с различными фазовыми скоростями. Это приводит к непрерывному перемещению фаз импульсов сжатия и растяжения друг относительно друга по оси скважины в различных средах. В результате такого движения происходит последовательное совмещение амплитуд колебаний как по фазам, так и в противофазах. В первом случае возникает двукратное локальное повышение давлений на границах раздела материалов. Во втором случае происходит двукратное понижение давлений на этих границах. Суммарное четырехкратные перепады давлений возникают при сдвиге фаз соседних волн на /2. В этом случае перепады давлений протекают симультанно, они вызывают периодически чередующиеся перегрузки связей между молекулами различных сред, приводящие к их разрыву (см. фиг. 2). Отраженные от забоя скважины волны деформации совместно с прямыми образуют гидравлический удар в зоне нефтяного пласта, осуществляя дополнительное его рыхление и проникновение химического агента вглубь.

В случае необходимости способ позволяет повысить мощность взаимодействия волн колебаний до 20 Вт/см² и выше, повышая подаваемую мощность на ударник. Как известно (Башта А.Т. Машиностроительная гидравлика. М. Машиностроение, 1973, с. 600) приложение такой мощности будет приводить к возникновению кавитации. Эта кавитация жидкости, прилегающей к внутренним стенкам колонны труб, будет сопровождаться и молекулярно-волновыми колебаниями, амплитуда давлений которых в зоне стенок колонны достигает 40 тысяч атмосфер при захлопывании кавитационных пузырьков.

Отделение смоло-парафинистых отложений происходит последовательно по направлению движения волн напряжений. Длина волны L V t

где V 2000 m/с скорость звука в столбе жидкости;

t 0,003 с время соударения бойка с преобразователем волновой энергии;

L 210310 610² см 6 м

Площадь нагружения трубы волной напряжений.

S = DL

где D 6 cм внутренний диаметр колонны труб.

S = 610 = 11,310³см² = 1,13 м²

Мощность волны, необходимая для появления кавитации

N 2011,3 10³ 226 кВт

Энергия единичного удара гидромолотом ГПМ-120 А 120 кгм.

Мощность единичного удара гидромолотом



Мощность единичного удара превышает мощность, необходимую для кавитации, в 410⁴ 226 177 раз. Этой мощности достаточно, чтобы обработать скважину на глубину.

L 1776 1062 м

На этой глубине должна возникать кавитация только от механической мощности гидромолота. Однако в этом случае не учтены потери диссипации механической энергии, которые для данного случая практически пока еще невозможно рассчитать. Пример из опыта учета потерь энергии при движении жидкости по трубам коэффициент потерь К 0,6. Тогда мощность, способная вызывать молекулярно-волновые колебания в скважине и кавитацию столба жидкости в колонне труб распространится на глубину скважины

L КL 0,61062 637,2 м

Как видно, механической мощности гидромолота недостаточно, чтобы эффективно воздействовать на дно скважины, где расположен нефтяной пласт. Поэтому применяются еще дополнительные мощности насоса N _n физическая мощность N_ф например, подогрева колонны труб и столба жидкости в них, и химическая мощность N _x воздействия, например, пластовой нефти, пластовой воды, щелочи или кислоты на продуктивный нефтяной пласт и смоло-парафинистые отложения в колонне труб со столбом жидкости путем заполнения скважины и призабойной зоны этими жидкими химическими агентами.

Суммарная мощность, подаваемая в скважину для ее восстановления составит

N_c N_m + N_n + N_ф + N_x

Этой мощности достаточно, чтобы вызвать критические нагрузки на забой нефтяного пласта, стенки колонны труб и столб жидкости в них. Эти нагрузки регулируемы и проявляются или в виде кавитации, или молекулярно-волновых колебаний с амплитудами, превышающими адгезионные связи между смоло-парафинистыми отложениями и внутренними стенками колонны труб, а также электромагнитные связи между поверхностями трещин нефтяного пласта, что видно из расчета только механической энергии N_m и N_n. Значения N_x и N_ф подбираются для конкретных условий эксплуатации скважины. От них в значительной мере зависит эффективность воздействия на нефтяной пласт. Незначительные перепады давления на больших глубинах от воздействия механических энергий способствуют проникновению молекулярно-волновых колебаний физического и химического происхождения в поры и трещины нефтяного пласта. Происходит компенсация на больших глубинах недостаточной по величине механической энергии, физической и химической энергиями. Совместность и одновременность нагружения пор и трещин молекулярно-волновыми колебаниями от различных видов энергий вызывает в них симультанный эффект, способствующий рыхлению пласта и увеличения нефтеотдачи.

Дополнительная мощность насоса прикладывается путем импульсной подачи жидкости в скважину через нагнетательную магистраль 23 в головку 22. Это приводит к возникновению дополнительных колебаний в столбе жидкости 16, заполняющей колонну труб 8. Кроме того, подача жидкости в скважину позволяет постоянно поддерживать контакт верхнего ее уровня в колонне труб 8 с передатчиком молекулярноволновых колебаний 5 даже в случае частичного поглощения жидкости и, тем самым, предотвращения снижения уровня жидкости в колонне труб 8.

Приложение тепловой энергии может быть осуществлено, например, электронагревом или подачей пара в затрубное пространство скважины через нагнетательную магистраль 23.

Снижение энергетической перенасыщенности неосновных процессов является одним из важнейших показателей эффективности восстановления нефтяных скважин. Он определяет надежность их функционирования, долговечность элементов конструкции скважины, коэффициент полезного действия. К неосновным процессам, протекающим под воздействием механического нагружения, относится соударение бойка 2 генератора энергии с излучателем 3, вызывающее необратимые в них деформации. На эти деформации расходуется большая часть механической энергии, быстро разрушается генератор и излучатель. Аналогичные явления могут возникнуть при взаимодействии излучателя с верхними торцами колонны труб 8. Устранение этого недостатка достигается снижением энергий соударения генератора с преобразованием ньютоновского соударения бойка 2 и излучателя 3 в лапласовские волны упругих деформаций. Последние перерождаются в молекулярно-волновые колебания критических масс преобразователя 4, передатчиков 5 и 6 и, затем колонны труб 8, смоло-парафинистых отложений и столба жидкости. Эти колебания быстро распространяются по конструкции скважины, не вызывают в ней остаточных деформаций, а выполняют полезную работу с малым рассеиванием энергий.

Снижение почти в три раза механической энергии воздействия на скважину устранит ее перенасыщенность на неосновных процессах. А совокупное нагружение тремя сниженными по величине видами энергий повысило эффективность восстановления скважины.

Перенасыщенность неосновных процессов при физическом воздействии на скважину и нефтяной пласт проявляется в нагреве не нефтеносной горной породы вокруг скважины, а в перегреве колонны труб. В первом случае большая часть физической энергии расходуется в виде тепла на ненужный нагрев окружающей скважину горной породы. Во втором случае на внутренних стенках колонны труб пригарают нефтепродукты, на очистку которых потребуется большой расход энергии.

Устраняется этот недостаток снижением почти в три раза подачи в затрубное пространство скважины тепла.

Перенасыщенность неосновных процессов при химическом воздействии на скважину и нефтяной пласт проявляется в возникновении химических реакций в тех местах, где они не нужны и приносят вред. К таким процессам, например, относятся реакция между металлическими элементами скважины и химическими реагентами. Эти реакции разрушают конструкцию скважины, не производя полезной работы. Устраняется этот недостаток снижением почти в три раза подачи в скважину химических веществ, и компенсацией недостающей химической энергии двумя другими видами энергий физической и механической.

Одним из преимуществ способа является проявление обратимости процессов нагружения нефтяной скважны и нефтяного пласта, обеспечивающее квазистатическое их протекание.

Большая вероятность протекания процесса восстановления скважин обосновывается вторым законом термодинамики.

Квазистатичность процесса восстановления скважины по предлагаемому способу объясняется снятием динамических нагрузок при трансформировании ударных нагрузок в молекулярно-волновые колебания, снижением физических и химических перегрузок элементов конструкции скважины и нефтяного пласта. Предложенные для использования виды энергии нагружения обратимы, из цикличных преобразуются в непрерывные со значительно сниженными типами отдельных воздействий в протекающем процессе восстановления скважины. Поэтому они квазистатичны.

Механическое и физическое воздействие осуществляется комбинированным кавитационно-волновым трансформатором максимальной энергии, импульсной подачей жидкости в скважину и гидроударами в призабойной зоне, а химическое подачей в скважину жидких химических реагентов, перерабатывающих смоло-парафинистые отложения.

Каждый вид воздействия на сложную структуру скважины со случайным размещением ее ингредиентов во времени и пространстве характеризуется взаимным влиянием результатов всех видов нагружения. Совместное их взаимодействие подчиняется выполнению единой цели эффективному восстановлению нефтяной скважины. Система продуктивный пласт скважина органы восстановления скважины /ПСВ/ функционирует как фрактальная структура и в этом случае способ восстановления скважины является фрактальным.

Таким образом, предлагаемый способ восстановления скважины позволяет повысить степень воздействия на нефтяной пласт и на скважину по всей глубине без ее разрушения, а также снизить энергетическую перенасыщенность неосновных процессов.