Воздействие физическими полями упругих колебаний

Физические основы методов воздействия с применением упругих колебаний были созданы в начале 70-х гг. ХХ в. фундаментальными исследованиями, проведенными во ВНИИнефти и ВНИИгеосистем. Большой вклад в их создание внесли работы О.Л. Кузнецова, М.Л. Сургучева, Э.М. Симкина.

Механизм упругих колебаний. для повышения продуктивности нефтяных скважин используются известные природные явления и физические эффекты, связанные с тем, что процессы тепло- и массопереноса в капиллярно-пористых средах интенсифицируются под влиянием высоких и низких частот. Воздействие высокоамплитудных низкочастотных колебаний давления необратимо увеличивает абсолютную проницаемость насыщенных пористых сред. за счет переориентации слагающих среду зерен, особенно при наличии глинистости, образуются новые фильтрационные каналы, раскрываются трещины. Особого внимания заслуживают специфические «фильтрационные эффекты»: в поле колебаний интенсивностью 1,9 кВт и частотой 17-26 кГц скорость фильтрации полярных и неполярных жидкостей увеличивается до 10 раз, а скорость фильтрации дистиллированной воды через керн горных пород увеличивается почти на два порядка.

Под действием упругих колебаний происходит разупрочнение кольматирующего материала и очистка поровых каналов коллектора, устраняется блокирующее влияние остаточных фаз газа, нефти и воды.

Наложение упругих колебаний деформирует и разрушает структуру неньютоновских нефтей, изменяет их вязкоупругие свойства и характер движения в пористой среде. Механизм воздействия физических полей упругих колебаний на реологическое поведение высоковязких нефтей, заполняющих поры, во многих случаях обусловлен моделью, предложенной М.А. Био. Снижение вязкости неньютоновских жидкостей происходит при частотах, больших так называемой характеристической частоты

,

где n – кинематическая вязкость; d – размер пор.

Под действием упругих колебаний уменьшается кинематический гистерезис смачивания, происходит глубокое проникновение жидкости в щели и капилляры, интенсифицируются процессы пропитки, возрастает степень вытеснения нефти из пористой среды, меняется фазовая проницаемость среды для нефти и воды. Технология виброволнового воздействия экологически чиста, и затраты на ее применение существенно ниже, чем при тепловом и химическом методах.

Метод воздействия на ПЗП физическими полями упругих колебаний на нефтяных промыслах начал применяться с 60-х гг. ХХ в. и оказался достаточно эффективным.

Источники волнового воздействия. Воздействие упругими колебаниями при обработке ПЗП осуществляется скважинными забойными генераторами, мощность которых ограничена размерами и условиями эксплуатации скважины. Процессы различной физической природы, сопровождающие волновое воздействие на ПЗП, можно подразделить на акустические (гидроакустические), виброволновые, кавитационно-волновые и ударно-депрессионные.

Акустическое воздействие технологически достаточно просто и заключается в том, что по скважине в интервал обработки продуктивного пласта спускается акустический (ультразвуковой) излучатель на каротажном кабеле, который соединяет его с преобразователем частоты (генератором, источником питания), установленным на поверхности. Существует несколько разновидностей источников акустической энергии, в том числе и магнитострикционных.

В ЗАО ИНЕФ разработаны и запатентованы технические средства и технология акустической реабилитации нефтяных скважин и пластов (АРС и П) с использованием стандартных геофизических станций (рис.3.2). Технологический процесс позволяет осуществлять обработку продуктивного пласта, не прекращая работы забойных (на фонтанном и газлифтном фонде) и нагнетательных скважин.

Рис.3.2. Технологическая схема ЗАО ИНЕФ акустического воздействия на ПЗП   1 – цементное кольцо; 2 – перфорационное отверстие; 3 – кривая, характеризующая направленность акустических колебаний; 4 – НКТ; 5 – обсадная колонна; 6 – лубрикатор; 7 – самоходный каротажный подъемник СКП-4,5, СКП-7/1; 8 – рабочее место оператора; 9 – акустический излучатель; 10 – нефтяной пласт

При насосной эксплуатации скважин можно совмещать обработку с подземным или капитальным ремонтом. Для монтажа и демонтажа оборудования требуется привлечение бригад капитального ремонта скважин. Технологический процесс позволяет избирательно обрабатывать отдельные интервалы продуктивного пласта из расчета от 1 до 3 ч на 1 м обрабатываемого интервала.

Комплекс «ИНЕФ» состоит из источников питания (ИП «ИНЕФ1-Т»), излучателей трех модификаций: «ИНЕФ1-37» для работы по НКТ с диаметром 2 дюйма; «ИНЕФ1-44» для работы по НКТ с диаметром 2,5 дюйма и «ИНЕФ1-100» для работы по обсадной (рабочей) колонне (табл.3.1).

Источники питания длиной 370 мм, шириной 455 мм и высотой 320 мм подключаются к сети переменного тока (220 В, 50 Гц, мощность не менее 5 кВт) имеют выходную мощность 25 кВт в диапазоне частот выходного напряжения 4-24 кГц.

Таблица 3.1

Излучатели ЗАО ИНЕФ

Показатель	ИНЕФ 1-37	ИНЕФ 1-44	ИНЕФ 1-100
Мощность, Вт
Масса, кг
Габариты, мм:
диаметр
длина

По данным ЗАО ИНЕФ, удельная эффективность составляет от 500 до 5500 т на одну скважино-обработку, длительность эффекта меняется от 6 до 18 месяцев.

Виброволновое воздействие осуществляется посредством генерирования упругих колебаний скважинными (забойными) устройствами, создающими давление различной частоты и амплитуды за счет использования энергии жидкости или газа. Гидродинамические генераторы упругих колебаний (ГДГ) спускаются в скважину на НКТ, а напорно-расходные параметры жидкости задаются нефтепромысловыми насосными агрегатами. Скважинная обработка с использованием ГДГ технологически совмещается с промысловыми операциями подземного и капитального ремонта скважин (ПРС и КРС соответственно) и с другими операциями традиционных методов обработок ПЗП.

Эффективность обработки ПЗП воздействием упругих колебаний с применением ГДГ в значительной степени определяется параметрами колебательной энергии в системе скважина – пласт. Упругие колебания энергии наиболее эффективны при низкочастотном излучении вследствие низкого поглощения в породах и благоприятного соотношения колебательных смещений и ускорений. Рассчитывать основные параметры границ упругого низкочастотного колебательного поля можно по уравнению Био:

,

где m и r – соответственно вязкость и плотность флюида; m – пористость скелета породы; k – проницаемость скелета породы.

К настоящему времени известно несколько десятков конструкций гидродинамических скважинных генераторов колебаний давления, разработанных различными организациями.

В соответствии с принципиальной схемой скважинные генераторы гидравлических колебаний можно подразделить на пружинно-клапанные и роторные преобразователи. Общий недостаток генераторов клапанно-пружинного типа – низкая надежность работы из-за согласования жесткости пружины и массы клапана.

Более совершенны гидравлические генераторы колебаний на основе вихревых элементов. В конструкциях ГДГ с напорными вихревыми ступенями на основе центробежных форсунок при генерации колебаний можно достигать необходимых амплитудно-частотных характеристик, ограниченных только мощностью насосных агрегатов.

В зависимости от гидродинамических характеристик пласта и факторов, ухудшающих продуктивность скважин, в качестве рабочей жидкости при виброобработке ПЗП применяют нефть, пластовую воду, растворы кислот, растворы ПАВ, керосин, дизельное топливо и различные смеси этих жидкостей.

Наибольшая эффективность повышения гидропроводности ПЗП при виброволновом воздействии достигается при создании депрессии на пласт. Для создания долговременной депрессии при одновременной работе с гидродинамическими генераторами давления используются забойные струйные насосы.

Кавитационно-волновые методы возбуждения ударных импульсов и колебаний давления с широким диапазоном частот основываются на процессах кавитационных явлений при зарождении паровой (газовой) фазы и ее развитии в ПЗП. По происхождению кавитация может быть вихревой и перемещающейся. Она возникает в потоке при увеличении скорости струи, достаточной для разрыва сплошности (скорости). Условие возникновения паровой кавитации, без учета влияния растворенного газа, определяется параметром динамического подобия – числом кавитации

,

где р₀ – давление в некоторой точке потока; р_н – давление насыщения паров в пузыре; v₀ – скорость потока при давлении р₀; r – плотность жидкости.

Согласно уравнению, можно воспроизводить различные режимы течения жидкости в насадках, чтобы К_к принимало значения большие, меньшие и равные 1, т.е. создавать безкавитационные режимы и режимы с развитой кавитацией в определенных условиях.

В условиях ультразвукового поля кавитация возникает при энергии в десятки раз меньшей, чем необходимо для создания давления упругости насыщенных паров, но если давление в скважине равно или превышает критическое давление воды (р_кр = 22,1 МПа), то спровоцировать паровую кавитацию жидкости без растворенного в ней газа невозможно.

Принципиальная схема пульсаторов для формирования паровой фазы в потоке газосодержащей жидкости и возбуждения ударных волн давления в ПЗП состоит из ряда элементов, способствующих турбулизации потоков, их закручиванию с последующим повышением скорости истечения из насадок. Пульсатор спускается в зону обработки скважины на НКТ, а рабочие жидкости (аэрированная вода, нефть, кислота) нагнетаются насосными установками. Для повышения эффективности обработки ПЗП работающий агрегат перемещается вдоль интервала перфорации с передачей вращения. Наибольшие импульсы давлений возникают при совпадении каналов насадок пульсатора с устьями перфорационных каналов.

Теория турбулентных струй, бьющих в тупик, позволяет оценить давление, развиваемое потоком для случая гидравлического удара. Давление гидравлического удара в канале может быть рассчитано по формуле Жуковского:

,

где с – скорость распространения ударной волны; v – начальная скорость истечения жидкости из насадки; r – плотность жидкости.

Скорость распространения ударной волны зависит от свойств жидкости, пористости среды и радиуса зоны вокруг перфорационного канала в породе:

,

где b_ж – коэффициент объемного сжатия жидкости; d – внутренний диаметр перфорационного канала; Е – модуль упругости пористой среды; d – толщина стенки пород вокруг канала.

Накладываясь друг на друга, ударные волны различной природы создают неравномерное поле волновых давлений в пористой среде ПЗП, сопровождаемое значительными знакопеременными нагрузками, что способствует очистке поровых каналов, повышению скорости фильтрации и нефтеотдачи пластов, т.е. интенсификации добычи нефти.

Кавитационно-волновая технология считается технологией управляемого воздействия на ПЗП и носит многофакторный характер при относительной простоте реализации.

Для ударно-депрессионных методов воздействия используется переоборудованный штанговый насос, в котором в режиме откачки жидкости при ходе плунжера вверх в определенной точке происходит мгновенная разгерметизация цилиндра насоса, создающая импульс депрессии, а затем гидравлический удар с высоким давлением. Достоинством этого метода является простота осуществления с одновременным и непрерывным выносом кольматирующих веществ из ПЗП на поверхность.

Фирма «Недра» разработала метод ударно-волнового воздействия на ПЗП, вызываемого динамикой работы скважинного штангового насоса. Низкочастотные волны образуются в процессе эксплуатации скважины при подъеме флюидов за счет статических нагрузок, создаваемых весом колонны НКТ, и переменных динамических, включая инерционные и вибрационные, возбуждаемых непосредственно работой штангового глубинного насоса (ШГН).

Статические нагрузки, в зависимости от конкретных условий, создают частичным или полным весом опоры НКТ на забой в зумпфе, что вызывает перераспределение поля напряжений в продуктивном пласте.

Динамические нагрузки работающего ШГН передаются в точку опоры НКТ, генерируют инфранизкочастотные волновые процессы и сейсмическую эмиссию, формируя в продуктивной толще пород поля упругих колебаний, стимулирующих фильтрационные процессы. В условиях резонанса волновые процессы могут распространяться в радиусе до 1-1,5 км от точки опоры НКТ, интенсифицируя фильтрационные процессы, особенно в тонкодисперсных слабопроницаемых объемах пород во всей этой области.

Технология легко реализуется при любой глубине залегания продуктивного пласта и на любой стадии разработки месторождения, допускающей эксплуатацию ШГН в широком диапазоне геолого-промысловых условий. Технология адаптирована к промысловым условиям, не нуждается в обучении персонала и его постоянном присутствии на скважине, не требует дополнительного оборудования (за исключением нескольких сотен метров НКТ) и дополнительных энергозатрат.

Рис.3.3. Гидродинамический генератор давления

Для воздействия на ПЗП гидродинамическими виброударными полями широко применяются комплексы для свабирования. Для этого в шаблонированной насосно-компрессорной трубе (камере) делают отверстия (окна) 5, которые устанавливают в зоне продуктивного интервала перфорации обсадной колонны (рис.3.3). В нижней части камеры (трубы) устанавливают клапан 7. Кольцевой канал между НКТ и эксплуатационной колонной выше продуктивного пласта изолируют пакером 2. Поршень (плунжер) сваба 6 опускается на канате (проволоке) 3 до упора в нижней части. При подъеме плунжера 6 клапан 7 закрывается и жидкость из камеры 1 через окна 5 вытесняется в кольцевой канал 4 подпакерной зоны и через перфорационные каналы создает давление в ПЗП, а под плунжером в камере 1 создается разряжение. После прохождения плунжером окон 5 жидкость из-под пакерной зоны кольцевого канала устремляется в камеру 1, создавая в ПЗП мгновенную депрессию, под действием которой жидкость из пласта притекает в скважину, а затем через окна с мгновенной скоростью устремляется в разреженную полость камеры, где создается гидравлический удар, который после открытия клапана упругими волнами давления передается на ПЗП. Затем цикл повторяется до получения желаемых результатов.

В последние десятилетия получили распространение электрогидравлические методы (ЭГВ) воздействия на ПЗП, в которых для создания импульсов давления используется эффект от электрического пробоя скважинной жидкости между электродами.