способ электромагнитного воздействия на скважинное пространство при добыче углеводородного сырья

Формула изобретения

Способ воздействия на скважинное пространство при добыче углеводородного сырья, заключающийся в размещении в основании погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса устройства с излучателем и управляемым генератором для создания электромагнитного волнового поля во внутрискважинном пространстве, отличающийся тем, что излучение электромагнитного волнового поля обеспечивают на резонансной для внутрискважинного пространства частоте, определяемой в процессе тестирования, причем процесс тестирования для определения резонансной частоты внутрискважинного пространства осуществляют с заданной периодичностью, а в периоды времени между тестированием генератор переводят в режим резонансной частоты внутрискважинного пространства, определенной в процессе тестирования, с обеспечением формирования излучателем стоячих электромагнитных волн вдоль оси скважинного пространства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для увеличения объема откачиваемого флюида, повышения коэффициента извлечения нефти, ее дебита, улучшения качества и реологических (кинетических) свойств, а также для уменьшения выпадения на элементах скважинного пространства (ЭСП) - установке электроцентробежного насоса (УЭЦН), колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), обсадной трубе естественных солей (кальция, магния, натрия, калия), гидратных и гидрато-углеводородных отложений, отрицательно влияющих на работу скважинной УЭЦН.

Известны различные способы воздействия на скважинное пространство и продуктивный пласт, использующие механические, тепловые, физические, химические и электромагнитные методы и их комбинации для повышения эффективности добычи углеводородного сырья.

При механическом воздействии на пласты их проницаемость повышается вследствие создания новых каналов и трещин, сообщающих пласты с призабойной зоной скважины. Механические методы обработки (гидравлический разрыв пласта, торпедирование) применяют в пластах, сложенных плотными породами.

Тепловые методы воздействия применяют для удаления парафина и смол, осевших на стенках поровых каналов, и интенсификации химических методов обработки призабойных зон.

Физические методы основаны на вибрационном, ультразвуковом и др. воздействиях. Их в основном применяют для удаления из призабойной зоны скважины остаточной воды и твердых мелкодисперсных частиц, в результате чего увеличивается проницаемость пород для нефти.

Механические, тепловые, физические методы хорошо известны и, в ряде случаев довольно действенны, однако использование этих методов требует значительных финансовых и энергетических затрат.

Применение химических методов воздействия на продуктивные пласты основано на происходящих реакциях взаимодействия закачиваемых химических веществ, в основном различных кислот, с некоторыми породами, которые растворяются, тем самым, увеличивая размеры поровых каналов и повышая пластовую проницаемость. Применение химических реагентов в ряде случаев эффективно, но затратно. Кроме того, небезопасно для окружающей среды.

Существенное снижение энергозатрат при высокой эффективности обеспечивают методы, использующие электромагнитное воздействие. Важным достоинством таких методов является проведения воздействия одновременно с основным процессом добычи, не препятствуя ему.

Существенным фактором, влияющим на эффективность добычи, является уровень защиты оборудования и скважинного пространства от нежелательных твердых отложений. Проблема образования нежелательных твердых отложений в нефтегазовых скважинах, в эксплуатационном оборудовании остро стоит в нефтяной промышленности. Отложения солей, парафина или воска, а также отложения асфальтенов, создают большие проблемы в нефтяной промышленности во всем мире. Часто образование отложений приводит к снижению добычи и увеличению эксплуатационных расходов, связанных с добычей углеводородов.

Обычным процессом, ведущим к образованию отложений при проведении операций добычи углеводородов, является выпадение осадка трудно растворимых солей из минерализованной воды месторождения нефти. Некоторые воды месторождений нефти содержат достаточное количество сульфатных ионов в присутствие ионов бария, кальция и/или стронция, что создает потенциал для образования сульфата бария (BaSO₄) и/или сульфата стронция (SrSO₄ ) в виде окалины. Отложения, обычно, образованы из таких классов соединений, которые включают в себя: карбонат кальция (CaCO ₃), сульфат кальция (CaSO₄), сульфид кальция (CaS), сульфат бария (BaSO₄), сульфид бария (BaS), тиосульфат бария (BaS₂O₃), сульфат стронция (SrSO₄), карбонат натрия (Na₂CO₃ ), сульфат натрия (Na₂SO₄), сульфид натрия (Na₂S), карбонат калия (К₂СO₃ ), сульфат калия (К₂SO₄), сульфат магния (MgSO₄), хлорид магния (MgCl₂), галит (NaCl), сульфид цинка (ZnS), сульфит цинка (ZnSO₃), сульфат цинка (ZnSO₄), сульфат свинца (PbS), сульфит свинца (PbSO₃), сульфат свинца (PbSO₄) и т.п., а также их комбинации.

Способы обработки химикатами для удаления нежелательных отложений, таких как соли, парафин, асфальтены и гидраты, включают в себя кислотную обработку или обработку с использованием различных других химикатов для удаления нежелательных отложений. Часто тип процесса обработки химикатами выбирают в зависимости от типа конденсата или отложения. Химикаты, такие как полиэлектролиты, фосфонаты, полифосфинокарбоновые кислоты, органофосфоновые кислоты (такие как диэтилентриамин пента метилфосфоновая кислота и гексаметилендиамин тетраметилен фосфоновая кислота), и полимеры, такие как полиакрилат, поливинил сульфонат, сульфонированные полиакрилаты, фосфометилированные полиамины и др. часто используют для торможения или предотвращения роста нежелательных углеводородных отложений, таких как кристаллы солей, на внутренних поверхностях эксплуатационной колонны. Типично, такие химикаты являются эффективными только для специфических типов отложений и ограничены только таким применением. Несмотря на определенные преимущества, обработка химикатами обычно является дорогой, во многих случаях вредной для окружающей среды, и часто весьма чувствительной, эффективно воздействующей только на специфические виды сырой нефти или на специфические типы нежелательных отложений. Обработка химикатами часто требует использования специального оборудования для ввода химикатов в самые глубокие секции ствола скважины.

В последнее время актуальными становятся способы электрофизического и электромагнитного воздействия на продукцию скважин. Это воздействие базируется на следующих положениях. При растворении в воде таких минералов, как карбонат кальция и кислая соль угольной кислоты, карбонат и бикарбонат магния наблюдается присутствие положительно и отрицательно заряженных ионов. При достижении максимального объема вещества, которое может быть растворено для заданных значений температуры и давления данный раствор должен быть насыщен, а при изменении условий, при которых концентрация насыщения субстанции повысилась, раствор становится перенасыщенным. В случае присутствия в растворе необходимых затравочных кристаллов растворенные субстанции будут выкристаллизовываться из раствора, и именно это может привести к осаждению осадка в скважинном пространстве.

Для формирования затравочных кристаллов положительные и отрицательные ионы вещества в растворе должны быть сгруппированы вместе. Благодаря такому распределению зарядов ионы, которые включают более одного атома, можно рассматривать как диполи, а под влиянием электрического поля подобные ионы ориентируются по отношению к данному полю. Этот процесс значительно увеличивает шансы столкновения между заряженными частицами противоположного заряда, так как они будут двигаться в противоположном направлении друг от друга (особенно, если электрическое поле переменное), и приводит к увеличению роста кластеров противоположно заряженных ионов растворенного вещества.

Кроме того, электрическое поле уменьшает силы притяжения, которые вызывают притяжение молекул воды к ионам, в результате чего заряженные частицы соединяются, образуя затравочный кристалл. Подобные крошечные затравочные кристаллы обладают зарядом поверхности, привлекающим большое количество ионов и их скоплений (что может быть достигнуто в перенасыщенном растворе), и подобные затравочные кристаллы быстро растут и провоцируют рост других кристаллов (т.е. осаждение растворенного вещества) в случае, если раствор более не является перенасыщенным. При уменьшении давления (многие субстанции, формирующие осаждаемое вещество, обладают убывающей растворимостью в воде с понижающимся давлением) рост кристаллов продолжается до повторного снижения объема растворенного вещества.

Подобное создание затравочных кристаллов в растворе относится к области гомогенных затравочных кристаллов; кристаллы также могут формироваться на любой инородной субстанции или на плоской поверхности, обладающей острыми выступами. Электрические заряды будут сконцентрированы на любом из таких выступов, которые будут привлекать заряженные частицы для инициирования процесса кристаллизации. Если в данной части раствора нет доступных гомогенных затравочных кристаллов, растворенное вещество подобным образом будет кристаллизоваться на гетерогенных затравочных кристаллах, которые подобным образом должны присутствовать на ЭСП. Именно это приводит к увеличению осадка на их поверхностях.

Гомогенные затравочные кристаллы инициируют процесс кристаллизации при более высоком давлении, чем давление, при котором кристаллизация может инициироваться на гетерогенных затравочных кристаллах на поверхности. В результате все вещество, подверженное осаждению из раствора, должно быть подобным образом выведено в осадок до начала процесса гетерогенного отложения на поверхности.

Аналогично происходит процесс снижения отложений на поверхностях ЭСП асфальтенов и твердых парафинов из нефтяного содержимого водно-нефтяной смеси. Как асфальтены, так и твердые парафины могут использовать затравочные кристаллы, как это описано выше, в качестве зародыша кристалла, на котором осаждаются взвешенные частицы (которые обладают внешней схожестью с крупинками) до достижения уровня температуры застывания.

Известен способ электромагнитного воздействия на флюид нефтяных месторождений (патент РФ № 2208141, МПК Е21В 43/24, опубликован 10.07.2003), предназначенный для увеличения степени извлечения нефти или других испаряемых жидкостей из нефтяных источников на земле или в море. По данному способу размещают излучатель электромагнитных волн в скважине и совместно с ним или отдельно - электрод электрического поля высокой частоты. Воздействуют на нефтяной пласт в начальный период электромагнитными волнами сверхвысокой частоты, затем частотой 15-30 кГц и, наконец, частотой 0,01-15 Гц до частичного разогрева пласта. После этого на нефтяной пласт воздействуют высокочастотным электрическим полем, которое фазируют с электромагнитным и естественным электрическим полями, обеспечивая тем самым взаимную индукцию электромагнитного и электрических полей, их резонанс и изменение физико-механических свойств нефтяного пласта. Возникающее в результате разогрева испарение воды создает дополнительное давление пара на пласт.

Однако данный способ требует существенных энергозатрат и значительного усложнения конструкции оборудования, размещенного в скважине.

Известен способ воздействия на флюид нефтяных месторождений при добыче нефти, включающий создание колебательного процесса непосредственно в обрабатываемом нефтяном флюиде несущими электромагнитными волнами в диапазоне частот от 3·10^-5 до 3·10¹⁴ Гц, которые модулируют информационными сигналами, резонансными углеводородам обрабатываемого нефтяного флюида, и формируют в стоячие волны (патент РФ № 2281387 С2, Е21В 43/16, опубл. 20.04.2006). Формирование направленных стоячих волн осуществляют резонансно-волновым устройством (генератором), погруженным в скважину, а управление резонансными, стоячими волнами осуществляют размещенным на поверхности антенным полем, включающим в себя подвижные резонансные модули, волноводы и др.

Использование известного способа резонансно-волнового воздействия на скважинную жидкость (флюид) позволяет реанимировать скважины, отличающиеся низким дебитом, заводненностью, тяжелыми нефтями и др., за счет повышения коэффициента извлечения нефти, ее качества и реологических свойств, при снижении содержания воды в откачиваемом флюиде.

Однако известный способ имеет существенный недостаток, который заключается в том, что требует четкого взаимодействия двух подсистем - наземной и погружной, сложного алгоритма настройки подсистем и, соответственно, обеспечения приемлемого и надежного канала связи: скважина - поверхность,

Наиболее близким к предложенному является способ воздействия на скважинное пространство нефтяных месторождений посредством электромагнитного протектора скважинной установки электроцентробежного насоса, обеспечивающего, посредством излучателя электромагнитного сигнала, соединённого с выходом генератора, формирование электромагнитного поля в скважинном пространстве (патент РФ № 2444612, МПК Е21В 37/00, опубл. 10.03.2012). К выводным концам обмотки излучателя подключен варикап, управляющий вход которого соединён с выходом устройства управления, которое управляет генератором по сигналу от спектроанализатора. Устройство имеет канал связи с поверхностью. При этом генератор формирует узкие импульсы с частотой, задаваемой устройством управления для обеспечения свободных резонансных колебаний в контуре излучателя, блок спектроанализатора проводит оценку величины математического ожидания доминирующей частоты и дисперсии свободных колебаний, возникающих в контуре излучателя и формирует сигнал обратной связи в устройство управления для подстройки частоты посредством варикапа. В данном случае волновое воздействие на скважинное пространство формируется контуром излучателя на основании определенных априорных уставок, которые учитывают тот или иной состав отложений на основании импирических лабораторных и производственных данных.

Однако данный способ не обеспечивает должного уровня резонансно-волнового воздействия на флюид и продуктивный пласт, учитывающего весь комплекс параметров внутрискважинного пространства. К внутрискважинному пространству относится область скважины, ограниченная по диаметру обсадной трубой, а по длине - расстоянием от зоны перфорации (в районе продуктивного пласта), до колонны насосно-компрессорных труб, прилегающих к скважинной установке электроцентробежного насоса, включая содержимое этого объема. Исходя из этого следует, что ранее предложенный способ не достаточно эффективен для повышения нефтедобычи, а является специализированным средством для защиты от гидратных и углеводородных отложений определенного типа в скважинах и эксплуатационном оборудовании.

Задачей изобретения является повышение эффективности добычи за счет воздействия на внутрискважинное пространство стоячими электромагнитными волнами. Техническим результатом воздействия является изменение физико-химических свойств скважинного флюида, обеспечивающее снижение вязкости флюида и разделение его на легкие углеводороды и энергизированную воду, повышение дренажной функции трещин, капилляров и пор продуктивного пласта при уменьшении выпадения на элементах скважинного пространства - установке электроцентробежного насоса, колонне насосно-компрессорных труб, обсадной трубе естественных гидратных и гидрато-углеводородных отложений, за счет резонансного возбуждения углеводородов флюида и энергизации водного раствора солей при низких энергозатратах с использованием сравнительно простых технических средств.

Поставленная задача решается способом воздействия на скважинное пространство при добыче углеводородного сырья, заключающимся в размещении в основании погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса устройства с излучателем и управляемым генератором для создания электромагнитного волнового поля во внутрискважинном пространстве, в котором в отличие от прототипа излучение электромагнитного волнового поля обеспечивают на резонансной для внутрискважинного пространства частоте, определяемой в процессе тестирования. Причем процесс тестирования для определения резонансной частоты, соответствующей изменяющимся параметрам внутрискважинного пространства, осуществляют с заданной периодичностью, а в периоды времени между тестированием генератор переводят в режим резонансной частоты, определенной в процессе тестирования, с обеспечением формирования излучателем стоячих электромагнитных волн вдоль оси скважинного пространства.

Сущность предлагаемого способа состоит в формировании в осевом направлении скважинного пространства высокочастотной электродвижущей силы (эдс) проводимости за счет наличия носителей электрических зарядов в этом пространстве: электронов в металле, ионов в растворе, заряженных твердых частиц и эдс поляризации в молекулах диэлектриков, что в свою очередь вызывает возникновение коаксиального электромагнитного поля внутри скважинного пространства, которое при постоянном воздействии излучателем электромагнитных колебаний на резонансной частоте, которая предварительно определяется из имеющегося практического опыта, или результата моделирования, или в процессе тестирования, распространяется в виде стоячих волн. Например, при частоте приблизительно в 120 кГц длина стоячей волны будет составлять 2498 м. Сформированные стоячие волны электромагнитного поля распределяют волновую энергию в скважинном пространстве, что облегчает образование гомогенных затравочных кристаллов в скважинной жидкости, и, как следствие, сформированные в жидкости кристаллы транспортируются ею без отложения осадка на поверхностях ЭСП, т.к. гомогенные затравочные кристаллы притягивают вещество из раствора в десять раз более активно, чем гетерогенные затравочные кристаллы на поверхности, вследствие чего кристаллы образуются в флюиде в виде взвеси.

Кроме того, резонансно-волновое воздействие приводит к возбуждению и расщеплению углеводородов флюида на более легкие, что приводит к снижению их вязкости и, как следствие, повышению их подвижности как в скважине, так и в зоне продуктивного пласта, прилегающего к скважине. Также резонансно-волновое воздействие способствует повышению дренажной функции трещин, капилляров и пор месторождений за счет освобождения от:

- осевших и налипших на их стенку тяжелых углеводородов, асфальтено-парафиносмолистых отложений;

- глин, коллоидно-дисперсных образований, микрочастиц породы и др. при растворении и/или вымывании их энергизированной водой флюида;

- воды адсорбированной и прочно связанной на поверхности минеральных частиц.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Перед спуском скважинной компоновки герметичный контейнер генератора с излучателем крепится и подключается к основанию погружного электродвигателя (ПЭД) УЭЦН. Компоновка спускается в скважину. При запуске ПЭД включается генератор, т.к. электропитание устройства осуществляется от статорной обмотки ПЭД, аналогично прототипу. Из имеющегося практического опыта или результата моделирования априори известен диапазон резонансных частот возбуждения, например 30 кГц 1 МГц, тогда генератор запускается на частоте, выбранной из данного диапазона. Затем через заданный начальный промежуток времени (порядка 5 мин, например), осуществляется тестирование. В тестовом режиме генератор возбуждает излучатель периодической последовательностью очень узких мощных импульсов. Известно, что чем уже импульс, тем шире его спектр. При этом в излучателе возникают резонансные затухающие гармонические колебания с частотой и периодом затухания, зависящие от параметров среды. Определив частоту и период затухания, переводят генератор в режим излучения резонансной частоты с мощностью, обусловленной периодом затухания, что соответствует рабочему режиму. А именно, используя простейшую модель скважинного пространства в виде простейшего электромагнитного колебательного контура, содержащего сосредоточенные реактивные и активные элементы (LCR), например, определяют резонансную частоту тока в излучателе ₀ и время затухания колебаний . Отсюда коэффициент затухания - =1/ , далее формируют амплитуду напряжения генератора исходя из зависимости:

U_m=f(I_m; ; ₀),

где I_m - амплитуда тока в излучателе, обусловленная требуемой мощностью излучения, с учетом конструктивных ограничений (допустимых токовых нагрузок и электрической прочности изоляции излучателя и др.). Последующее тестирование проводят через интервалы времени, обеспечивающие необходимый уровень адаптации к изменениям параметров скважинного пространства.

И в тестовом и в рабочем режиме в скважинном пространстве, вдоль его оси возникают резонансные стоячие электромагнитные волны.

Следует отметить, что согласно предложенному способу перемещение флюида из пластового коллектора в добывающую скважину осуществляют традиционно за счет создания депрессии на продуктивный пласт через снижение динамического уровня скважинной жидкости в обсадной колонне скважины, что соответствует хорошо зарекомендовавшей себя технологии добычи углеводородного сырья.

Немаловажным преимуществом заявляемого способа являются низкие энергозатраты - мощность, потребляемая генератором на излучение, составляет порядка 100 Вт. Устройство локализовано в погружной части и не требует дополнительного наземного оборудования, канала связи и др.

Таким образом, применение предложенного способа резонансно-волнового воздействия на флюид и скважинное пространство позволяет реанимировать скважины и существенно продлить жизнь месторождениям, отличающимся низким дебитом, заводненностью, тяжелыми нефтями и др., за счет повышения коэффициента извлечения нефти, ее качества и реологических свойств. Кроме того, способ обеспечивает защиту элементов скважинного пространства от вредных отложений.