способ электрогидроимпульсного воздействия в нефтегазовых скважинах и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ интенсификации добычи нефти, включающий электрогидроимпульсное воздействие на призабойную зону нефтегазоносной скважины путем возбуждения в рабочей зоне электрического разряда между электродами с обеспечением формирования направленной ударной волны и ее фокусирования на поверхности колонны с перфорациями, отличающийся тем, что ударную волну формируют расходящейся цилиндрическим фронтом в радиальном направлении, для чего создают электрический разряд с помощью электродов, обращенные друг к другу поверхности которых в каждом своем сечении по оси колонны образуют вместе форму частей двух пересекающихся эллипсов таким образом, что ось колонны проходит через общий фокус эллипсов, а их вторые, мнимые, фокусы лежат на поверхности колонны с перфорациями.

2. Устройство для интенсификации добычи нефти, содержащее электроды, обеспечивающие создание электрического разряда с получением направленной ударной волны, отличающееся тем, что оно содержит заполненную жидкостью осесимметричную разрядную камеру, образованную обращенными друг к другу поверхностями двух электродов и цилиндрической мембраной, закрепленной по краям электродов и образующей боковую поверхность разрядной камеры, предназначенную для примыкания к поверхности колонны с перфорацией, при этом сечение указанной поверхности каждого электрода по оси симметрии камеры образует форму частей двух пересекающихся эллипсов, общий фокус которых лежит на оси симметрии камеры, а мнимые фокусы упомянутых эллипсов расположены за мембраной вне камеры с возможностью совпадения с поверхностью колонны.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено индуктивным накопителем энергии, соединенным с электродами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и может быть использовано для повышения нефтегазоотдачи продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин путем воздействия на них энергией ударной волны.

Известно, что после отработанного срока эксплуатации нефтяных и газовых скважин объем добычи в них падает. Для интенсификации добычи нефтегазопродуктов из скважин, находящихся в эксплуатации, используют различные способы. Эти способы и устройства предусматривают использование в качестве энергопривода пороха, взрывчатых веществ, насосов, электродвигателей, вибраторов, парогенераторных установок ("Гидравлический разрыв пласта", Ю.П.Желтов, Гостопливотехиздат,1957 г.). Использование пороховых зарядов и взрывчатых веществ связано с необходимостью соблюдения повышенных требований к технике безопасности не только при производстве работ, но и при их хранении и транспортировке. Кроме того, при использовании пороховых и взрывчатых веществ волновые процессы, воздействующие на продуктивные пласты месторождений, трудноуправляемы и практически исключают возможность дозированного циклического возбуждения волн с заданной частотой и мощностью.

Известны способ добычи нефти и устройство для его осуществления в соответствии с патентом US 4074758, МПК 7 Е 21 В 43/25, 21.02.1978. Сущность изобретения заключается в генерировании электрогидравлической ударной волны в жидкости скважины с помощью конденсаторного устройства с искровым разрядником, введенным в скважину через обсадную колонну. Генерированную ударную волну через перфорационные отверстия в обсадной трубе направляют из скважины в нефтеносный грунт для отделения нефти от грунта.

Для реализации данного способа требуется значительно меньше затрат, так как сокращается объем выполняемых работ, используется менее дорогостоящее и сложное оборудование, уменьшаются энергозатраты. Кроме того, способ универсален, безопасен и легко управляем, что позволяет достигать большей эффективности интенсификации нефтеотдачи пласта не только за счет регулирования мощности электрического разряда, но частоты следования импульсов. Одним недостатков способа является то, что возникает экранирование генерируемой ударной волны стенками обсадной трубы, основная доля энергии разряда гасится внутри трубы, а в продуктивный пласт доходит только часть энергии, которая не всегда обеспечивает достижение главной цели.

Известно изобретение по патенту RU 2090747, МПК 7 Е 21 В 43/25, 20.09.1997, в котором раскрыт способ интенсификации добычи нефти и устройство для его осуществления, принятые за прототип изобретений заявленной группы. Сущность данного изобретения заключается в том, что для электрогидроимпульсного воздействия в нефтегазовых скважинах осуществляют периодическое возбуждение электрического разряда между электродами. В качестве одного электрода используют электрод, в котором имеется внутренняя поверхность, выполненная в виде конуса, или используют в качестве электрода стенку скважинной трубы. Второй электрод размещают в конусе первого электрода. При таком расположении электродов обеспечивается узконаправленное действие ударной волны, что повышает эффект воздействия на продуктивный пласт. Для повышения эффективности воздействия фокусное расстояние отраженной от поверхности конуса волны выбирают из условия расположения точек фокуса на поверхности воздействия. За счет позиционирования электроразрядного устройства удается направлять ударную волну через перфорированные отверстия, выполненные в стенках обсадной трубы, и таким образом снизить экранирующий эффект трубы. Однако при такой конструкции электроразрядного устройства при многократном возбуждении электрического разряда возникают волновые процессы, которые в значительной степени ослабляют действие ударной волны, а следовательно, и эффективность ее воздействия на продуктивный пласт.

Задачей изобретения является повышение мощности и эффективности воздействия на нефтегазовый пласт.

Указанная задача решена за счет того, что в отличие от способа интенсификации добычи нефти, включающего электрогидроимпульсное воздействие на призабойную зону нефтегазоносной скважины путем возбуждения в рабочей зоне электрического разряда между электродами с обеспечением формирования направленной ударной волны и ее фокусирования, согласно предлагаемому способу ударную волну формируют расходящейся цилиндрическим фронтом в радиальном направлении и фокусируют на поверхности колонны с перфорациями, при этом создают электрический разряд с помощью электродов, обращенные друг к другу поверхности которых в каждом своем сечении по оси колонны образуют вместе форму частей двух пересекающихся эллипсов таким образом, что ось колонны проходит через общий фокус эллипсов, а их вторые мнимые фокусы лежат на поверхности колонны с перфорациями. Процесс проводят в осесимметричной разрядной камере, заполненной водой.

Кроме того, указанная задача решена с помощью устройства для интенсификации добычи нефти, при этом в отличие от известного устройства, содержащего электроды, обеспечивающие создание электрического разряда с получением направленной ударной волны, предложенное устройство содержит заполненную водой осесимметричную разрядную камеру, образованную обращенными друг к другу поверхностями двух электродов и цилиндрической мембраной, закрепленной по краям электродов и образующей боковую поверхность разрядной камеры, предназначенную для примыкания к поверхности колонны с перфорацией, при этом сечение указанной поверхности каждого электрода по оси симметрии камеры образует форму частей двух пересекающихся эллипсов, общий фокус которых лежит на оси симметрии камеры, а мнимые фокусы упомянутых эллипсов расположены с возможностью совпадения с поверхностью колонны. С электродами соединен индуктивный накопитель электрической энергии.

Физический принцип воздействия электрического разряда в жидкости на зону перфорации колонны заключается в создании в этой зоне импульсного режима распространения ударной волны и скоростного напора массы жидкости, ускоренной ударной волной. При этом следует разграничить 2 фактора воздействия ударной волны на окружающую среду.

Первый фактор - фронт ударной волны (ФУВ). На ФУВ, скорость которого около 3 км/с (вода), образуется скачок плотности и давления жидкости. При сравнительно слабых ударных волнах можно пренебречь скачком температуры, однако скачки давления могут составлять сотни тысяч атмосфер при незначительном изменении плотности. Толщина ФУВ равна приблизительно нескольким расстояниям между молекулами среды. Сильные ударные волны в газе и слабые ударные волны в жидкости оказывают в пределах ФУВ на среду распространения совершенно различное воздействие.

Например, сильная ударная волна в воздухе с давлением Р_в=100 ат толщиной _в 10^-4 см оказывает на среду в пределах ФУВ силовое воздействие, которое равняется F_в - P_d 10⁶ ат/см. Но при тех же параметрах разрядного тока давление в жидкости, которое составляет P _ж 100000 ат, будет оказывать на среду воздействие в пределах ФУВ _ж 10^-8 см силой F_ж =- Р_ж 10¹³ ат/см. Сила, развиваемая в пределах ФУВ в жидкости, превосходит силу в газе в 10¹³ раз.

Второй фактор - это импульс скоростного напора массы (ИСН). Вслед за ФУВ движется жидкость с меньшей массовой скоростью (около 1,5 км/с) в потоке, формируемом на границе плазмы канала разряда. В плазме канала массовая скорость равна нулю. Но в процессе протекания тока по каналу разряда плазменная граница канала ведет себя как цилиндрический поршень, раздвигающий жидкость и приводящий ее в движение в зоне от ФУВ до границы канала. Для среды электрический разряд выступает как привод компрессора, сжимающего и разгоняющего жидкость из области плазмы разряда столь длительно, сколько существует плазма с разрядным током и с большей длительностью.

Рабочий эффект воздействия ИСН на среду, по которой он распространяется, выражается в возможности увлечения вещества среды в движение и тем самым переноса вещества в направлении ИСН на определенное расстояние. Очевидно, что ИСН при воздействии ударных волн в жидкости может быть определяющим фактором производительности скважины, поскольку перенос вещества из отверстий перфораций является процессом их очищения путем продувки.

Определенный технологический эффект мог бы быть получен при использовании режима переменного гидравлического давления в зоне перфораций. Однако имеющийся некоторый положительный опыт использования емкостных накопителей энергии в забое скважины указывает на необходимость создания очень больших импульсных давлений для получения видимого практического эффекта.

Вариант исполнения устройства импульсного электрического разряда в жидкости при питании током от индуктивного накопителя является более оптимальным для забоя скважины по сравнению с емкостным накопителем энергии.

Для повышения коэффициента использования энергии накопителя при ее преобразовании в электрическом разряде в энергию ИСН необходимо особое внимание уделить конструкции разрядной камеры. Заданная цилиндрическая симметрия забойной скважины и зоны перфораций, в которой действует возбуждаемая разрядом в жидкости ударная волна, предопределяет наиболее приемлемую по конструктивным и технологическим соображениям конфигурацию разряда по оси симметрии забоя. В этом случае плазма канала является источником расходящихся в радиальном направлении цилиндрических ФУВ и ИСН (см. чертеж). Разрядная камера как ударный инструмент, размещаемый в зоне перфораций, может быть сконструирована с таким расчетом, чтобы расходящиеся ударные волны фокусировались на поверхности колонны с перфорациями. Согласно данному изобретению разрядная камера образована электродами, вертикальное сечение которых образуют пересекающиеся эллипсы. Причем ось камеры проходит через общий фокус эллипсов, а их вторые мнимые фокусы совпадают с поверхностью колонн.

На чертеже приведена схематично конструкция предлагаемого устройства.

Герметичная разрядная камера 1, заполненная водой с заданными характеристиками электрической прочности, образована электродами 2 и 3, что позволяет возбуждать между электродами в воде многократные разряды независимо от свойств жидкости в забое.

Герметичность камеры 1 относительно окружающей жидкой среды в забое обеспечивается тонкой металлической мембраной 4 с цилиндрической поверхностью, примыкающей к поверхности обсадной трубы 5. Мембрана 4 устанавливается с помощью сильфонных кольцевых вставок (не показаны).

Обращенные друг к другу поверхности электродов 2 и 3 в каждом своем осевом сечении образуют вместе форму частей двух эллипсов, пересекающихся друг с другом, так что они имеют общий фокус 7, лежащий на оси камеры 1. Вторые мнимые фокусы 8 и 9 эллипсов лежат за мембраной 4 на поверхности колонны 10 с перфорацией.

Питание камеры 1 разрядным током осуществляется от индуктивного накопителя, устанавливаемого на поверхности земли, специальным коаксиальным кабелем 6, конструкция которого должна удовлетворять требованиям, согласованным с требованиями, предъявляемыми к применяемому каротажному кабелю. Электроды 2 и 3 закреплены на изоляторах 11, 12, прикрепленных к изоляции кабеля 6.

Способ осуществляется следующим образом. Разрядную камеру 1, заполненную водой, опускают в металлическую трубу 5, обсаживающую скважину, размещают в зоне перфораций и включают подачу тока. Электрическим разрядом между электродами 2 и 3 возбуждают в воде ударную волну, направленную на поверхность воздействия так, чтобы расходящиеся ударные волны фокусировались на поверхности колонны 10 с перфорациями. Посредством импульса скоростного напора ударной волны мембрана 4 боковой поверхности разрядной камеры 1 сдвигается в окружающую ее жидкость забойной части скважины, таким образом передавая ИСН камеры импульсу скоростного напора жидкости скважины с его непосредственным воздействием на заглушенные наносами перфорации скважины. Возбуждение ударной волны с ИСН жидкости предлагаемым способом при использовании индуктивного накопителя энергии с ее величиной около и более 1 МДж ( что равносильно энергии взрыва 100-200 г тротила) позволяет обеспечить в дальнейшем совершенствование системы очистки перфораций скважин путем управляемого периодического воздействия на них последовательности импульсов с необходимой оптимально заданной скважностью.

Предложенные способ и устройство для электрогидроимпульсного воздействия в нефтегазовых скважинах обеспечивают высокую эффективность (мощность и длительность) гидродинамического воздействия на нефтегазовый пласт.