В течение последних лет повышается интерес специалистов нефтегазовой отрасли к практическому использованию новых высокоэффективных и рентабельных технологий, обеспечивающих стабильное поддержание, а также прирост добычи нефти в сложных геолого-промысловых условиях.
Ввод новых месторождений в эксплуатацию в настоящее время не может обеспечить восполнение извлекаемых запасов и компенсировать текущее падение добычи нефти на эксплуатируемых месторождениях. В то же время вводимые в разработку залежи, как правило, представлены низко продуктивными, высоко неоднородными и слабопроницаемыми коллекторами, а запасы нефти в них относятся к категории трудно извлекаемых. Сегодня основной объем добычи нефти приходится на месторождения, введенные в эксплуатацию в 80-х годах прошлого столетия, когда проводился неоправданно интенсивный отбор нефти, что привело к нарушению оптимальных режимов эксплуатации, высокому обводнению добываемой продукции, существенному загрязнению призабойных зон нагнетательных скважин и даже пластов из-за недопустимо низкого качества большого объема закачиваемой в скважины воды.
В результате практически во всех нефтяных регионах страны существует весьма значительный фонд бездействующих скважин. Если учесть, что стоимость восстановления — реанимации бездействующих, аварийных скважин во много раз меньше объема капитальных вложений на бурение новых скважин с эквивалентной добычей нефти, то их вод в эксплуатацию оказал бы более чем заметное влияние на показатели эффективности работы нефтяной отрасли.
Существующие традиционные методы и технологии восстановления производительности скважин не обладают достаточной как технологической, так и экономической эффективностью, и зачастую их применение на промыслах безрезультатно, несмотря на значительные усилия и затраты. Кроме того, применение многих из них приводит к необратимым последействиям, исключающим последующее использование других, более перспективных методов, которые могли бы появиться в будущем. Но что особенно важно — при этом также наносится ущерб экологическому равновесию природной среды.
Тема данной работы — использование физических полей упругих колебаний в методах повышения продуктивности скважин и нефтеотдачи пластов. Для внедрения физического поля в насыщенные пористые среды не требуется наличия фильтрационных каналов. Наряду с низкочастотностью упругих колебаний это обусловливает незначительное поглощение колебательной энергии в продуктивных породах пласта и существенную эффективную глубину обработки призабойной зоны пласта. Вместе с тем сочетание виброволнового воздействия с закачкой растворов химреагентов кратно повышает эффективность обработок скважин. При этом воздействие упругими колебаниями не наносит ущерба естественному состоянию природной среды.
Осложнения в процессе эксплуатации скважин Талаканского месторождения
... - рассмотреть осложнения в процессе эксплуатации скважин Талаканского месторождения. Задачи: 1. ознакомиться с процессом добычи нефти и природного газа; 2. рассмотреть способы эксплуатации нефтяных и газовых скважин; 3. исследовать процесс эксплуатации скважин Талаканского месторождения ...
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИБРОВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
1.1 Исторические предпосылки воздействий на пласты с помощью упругих колебаний
Как свидетельствует история, еще в XIX веке некоторые предприимчивые владельцы нефтяных скважин в США выкапывали вокруг их устья глубокие траншеи и закапывали в них мешки с порохом. После взрывов дебиты скважин часто значительно увеличивались. Толчком к систематическим исследованиям влияния вибрационно-сейсмических процессов на нефтегазовые залежи послужили наблюдения за землетрясениями. Обнаружилось, что во время землетрясений изменяются пластовые давления и дебиты скважин. Так, землетрясение в Южной Калифорнии в 1952 г. вызвало местами десятикратное повышение давления на устьях фонтанирующих скважин, которое держалось в течение более двух недель. На Новогрозненском месторождении во время землетрясений 1950 и 1955 гг., интенсивность которых достигала 6 — 7 баллов, происходило повышение пластовых давлений и добычи нефти. Во время Дагестанского землетрясения в 1970 г. добыча нефти повысилась на нефтяных залежах в радиусе более 200 км от эпицентра. Так, на одной из скважин Эльдаровского месторождения, расположенной в 220 км от эпицентра землетрясения, увеличение дебита составило более 900 т/сут [1].
Были известны случаи влияния на нефтяные залежи вибрации, создаваемой действием не только природы, но и человека, например, дебиты скважин увеличивались при прохождении вблизи них тяжеловесных железнодорожных составов.
1.2 Развитие методов обработки пластов с использованием виброволнового воздействия
Впервые метод обработки призабойных зон нагнетательных и добывающих скважин, использующий виброволновое воздействие, был испытан на нефтяных промыслах еще в 60-х годах, и сразу же были получены достаточно обнадеживающие данные по его технологической эффективности. Тем не менее, дальнейший опыт показал, что для достижения высокой успешности и рентабельности метода, при его применении в осложненных геолого-промысловых условиях эксплуатации скважин, необходимо осуществление целого ряда теоретических, лабораторных и промысловых исследований, конструкторских и технологических изысканий.
Наряду с этим, в 60-х годах на нефтяных месторождениях СССР начали применять воздействие упругими колебаниями на призабойную зону пласта (ПЗП) с помощью спускаемых в скважины различных забойных устройств. Именно в этом направлении были достигнуты наиболее впечатляющие предпосылки для развития виброволнового метода. Наибольшее распространение получили генераторы, использующие для работы гидродинамический напор закачиваемой в скважину технологической жидкости (вода, растворы ПАВ, нефть, растворители, кислоты и др.).
Это, например, известные вибратор ГВЗ золотникового типа конструкции МИНГ [1,2], вставной пульсатор ПВ-54 клапанного типа конструкции ТатНИПИнефти [2].
Так, по данным МИНГ за период с 1967 по 1985 г. с помощью вибратора ГВЗ-108 проведено около 6000 обработок скважин. Успешность работ составила 70 %. Продолжительность эффекта 1-1,5 года. Общий прирост добычи нефти по ним превысил более 5 млн. т, увеличение приемистости по нагнетательным скважинам 15 млн. м 3 . По данным ТатНИПИ нефти, с использованием пульсаторов ПВ-54 за период 1984-1985 гг. обработано 100 нагнетательных скважин с успешностью 80%. Приемистость скважин увеличилась в среднем на 25 %, эффект продолжался в течение 60-90 сут.
Анализ строения залежи нефти пласта П Лозового месторождения ...
... Курсовая работа по анализу строения месторождения позволит уточнить исходные составляющие геологической модели и определить направления доразведки месторождения. 1.1 Геолого-промысловая характеристика продуктивных пласта П Пласт ... году по результатам бурения 43 поисково-разведочных скважин Тюменским геологическим управлением был проведен подсчет запасов нефти и растворенного газа. Запасы нефти ...
В ИГД СО АН СССР проводились работы по разработке электромагнитного скважинного виброисточника работающего на электроэнергии, подводимой по кабелю с устья скважины.
Особую группу составляют забойные ударно-импульсные воздействия. К ним относятся термогазохимическое воздействие (ТГХВ), разрыв пласта давлением пороховых газов, виброфрак, стереофрак, воздействие гидроимпульсами, создаваемыми взрывами газообразных смесей, электрогидравлическое воздействие, ударное воздействие резким снятием давления с пакера или на устье скважины, создание управляемых депрессий и др.
Среди этих методов наибольшее применение на месторождениях России, а также стран СНГ получили термогазохимическое воздействие с помощью аккумуляторов давления АДС [4] и разрыв пласта с помощью пороховых генераторов [6].
Успешность внедрения метода ТГХВ в среднем составила около 60 % в эксплуатационных скважинах (по 1036 обработкам) и около 70 % в нагнетательных скважинах (по 270 обработкам).
В среднем на одну успешную обработку добыто около 900 т нефти, дополнительно закачано воды 34 тыс. м 3 . Средняя продолжительность эффекта 8 мес. При использовании генераторов ПГДБК на 400 скважинах успешность составила 70 %, дополнительная добыча нефти в среднем по успешным обработкам достигла 500 т, продолжительность эксплуатации скважин с повышенным дебитом до 2,5 — 5 лет.
Время горения пороховых зарядов АДС исчисляется секундами, но может достигать и 200 с, не считая последующего времени пульсации газового пузыря. Давление на забое скважины растет достаточно медленно и не должно приводить к разрыву пласта. АДС оказывает импульсное гидравлическое, тепловое и физико-химическое воздействия. При горении пороховых зарядов ПГДБК время действия максимального давления составляет доли секунды, общее время воздействия с учетом пульсации газового пузыря 10-20 с, значение максимального давления может в два раза превышать горное давление. В радиусе 5-6 м от скважины образуется несколько разветвленных трещин, которые не смыкаются после снятия давления, поэтому, в отличие от гидроразрыва, отпадает необходимость их закрепления песком.
Взрывчатые вещества (ВВ) могут использоваться также для образования широко разветвленных трещин в ПЗП. Твердое ВВ типа нитрата аммония или тринитротолуола измельчается и в виде суспензии подается на забой скважины, а затем задавливается в пласт. При этом измельченное ВВ скапливается в естественных трещинах. Затем в скважину спускают запальное устройство и взрывают. При взрыве детонируют ВВ в трещинах и пустотах ПЗП, образуется протяженная сеть глубоких трещин.
Па нефтяных месторождениях Техаса в 1958 г. впервые был успешно применен способ разрыва пласта, получивший название «виброфрак». Сущность метода заключается в создании в ПЗП гармонических ударных волн за счет особого размещения специальных зарядов. В отличие от обычных взрывов ВВ, при которых разрушающее усилие распространяется вглубь пласта, постепенно затухая, при виброфраке гармонически следующие по времени пики давления заставляют образовывающиеся трещины вибрировать — смыкаться и расширяться, что приводит к гораздо более значительному последующему увеличению проницаемости ПЗП. Разновидностью виброфрака является стереофрак, где применяется специальная фокусировка кумулятивных зарядов.
Сущность продуктивных пластов
... процессе цементирования и освоения скважины и др. 1.1 Разбуривание (вскрытие) продуктивного пласта В процессе вскрытия и разбуривания продуктивного пласта недостаточно внимания уделяется технологическим факторам, до минимума снижающим отрицательное воздействие не только потому, ...
Несмотря на успешные результаты, широкое распространение импульсно-ударных методов на месторождениях в геолого-промысловых условиях, основанных на использовании взрывчатых веществ, сдерживается их невысокой эффективностью, недостаточной надежностью и весьма существенными проблемами безопасности.
К импульсно-ударным методам также относится электрогидравлический (ЭГВ) метод обработки скважин, где для получения импульсов давления используется эффект от электрического пробоя скважинной жидкости между электродами скважинного устройства. Помимо электромагнитного излучения разряда и выделяющегося тепла, в скважинной жидкости образуются импульс давления, газопаровая полость и ее последующее пульсирующее схлопывание. Для этого метода были разработаны скважинные ЭГВ генераторы конструкций СКТБ «Электрогидравлика» АН УССР, СКИФ-4 ПКБЭ АН УССР, ЛИСИ, ИФИНГ, Октябрьского филиала Уфимского нефтяного института, фирмы «Соникс интернешнл инк.», которые могут выдавать электрические разряды в скважинах с частотами от 0,05 до 10 Гц [5,6]. Метод прошел испытания на месторождениях России, СНГ, в США в штате Техас. Так, например, на месторождениях АПК «Башнефть» 60% обработок оказались успешными, с длительностью эффекта в среднем более 7 мес. Дополнительная добыча нефти на одну обработку в среднем составила свыше 200 т. Наилучший эффект был достигнут при обработках скважин, в которых снижение продуктивности было вызвано отложениями минеральных солей на стенках обсадной колонны скважины и в ПЗП.
Метод ЭГВ не получил широкого распространения из-за невысокой эффективности, в особенности при его использовании на глубоких скважинах. Это объясняется тем, что для образования разряда и газопаровой полости в жидкости требуется напряжение в десятки тысяч вольт, с ростом глубины и давления в жидкости необходимо все больше увеличивать подаваемое напряжение, причем также сильно возрастают электрические потери в кабеле.
На артезианских скважинах г. Минска был испытан гидроимпульсный метод Белорусского политехнического института [2].
Метод основан на использовании энергии взрыва смеси водорода и кислорода, которую получают электролизом воды на забое скважины. Способ успешно опробован на 20 неглубоких артезианских скважинах, при этом их дебиты возросли в 1,5-2,5 раза. На более глубоких скважинах он не нашел применения из-за резкого снижения его эффективности с увеличением глубины скважин.
Переходя к описанию состояния призабойной зоны скважин и ее «отклика» на воздействие упругими колебаниями, остановимся на разъяснении термина «виброволновое воздействие», который использован в названии темы и будет употребляться в дальнейшем в контексте с общим раскрытием темы. Для обозначения воздействия на призабойную зону пласта упругими колебаниями существует много различных терминов: «вибрационное», «акустическое», «гидроакустическое», «волновое», «гидроволновое» и т.д. Эти термины часто применяются для обозначения одного и того же процесса и, по существу, не несут в себе физического смысла. Для ясности остановимся на термине «виброволновое воздействие». Тем более, как свидетельствует литература, максимальный «отклик» ПЗП на воздействие упругими колебаниями находится в избирательном низкочастотном диапазоне 20-300 Гц, а глубина эффективного воздействия, определяемая пространственно-энергетическим распределением упругих колебаний и энергетическими порогами наступления эффектов, достигает от нескольких до 10 метров и более. Это расстояния в среде пласта для рассматриваемых частот порядка длины волны. Воздействие упругими колебаниями на ПЗП при этом охватывает области вибрации среды и области формирования упругой волны в среде, а также области вступления волны в среду. Таким образом, термин «виброволновое воздействие» обозначает реальную глубину охвата ПЗП воздействием и несет в себе смысл оптимальности его осуществления по частотному диапазону.
Методы исследования нефтяных скважин
... их со скважинной жидкостью и при воздействии на них радиоактивного искусственного облучения или ультразвука. Геофизические методы исследования скважин и геологического разреза на стадиях бурения ... Акустический каротаж - определение упругих свойств горных пород. При этом виде каротажа в скважине возбуждаются упругие колебания, которые распространяются в окружающей среде и воспринимаются одним или ...
1.3 Влияние упругих колебаний на призабойную зону скважин
На всех стадиях разработки нефтяных месторождений призабойная зона пласта является основным объектом воздействия для подавляющего числа всех известных методов обработки скважин. Мероприятия, направленные на очистку ПЗП, восстановление естественной проницаемости, способствующие улучшению ее термодинамического состояния, в реальных условиях расчлененного и неоднородного пласта вызывают не только увеличение текущей нефтедобычи, но и повышают нефтеотдачу залежи [8].
И в этом смысле предпочтительны методы, которые способны вызывать заметные положительные изменения фильтрационных и коллекторских свойств, не образуя при этом новых неоднородностей, таких, например, как при гидроразрыве пласта, которые могут привести к увеличению текущей нефтедобычи, но могут и ухудшить нефтеотдачу пласта в целом.
Виброволновое воздействие на призабойную зону скважин с полным основанием можно отнести к числу перспективных методов. Это подтверждают известные явления и эффекты, способные оказывать положительное влияние, в свете вышерассмотренных проблем, на состояние ПЗП.
Упругие низкочастотные колебания — вибрация на два-три порядка ускоряют процессы релаксации механических напряжений [1,2,7]. В ПЗП это способствует уменьшению отрицательных последствий бурения и вскрытия пластов, связанных с нежелательными напряжениями в породах вокруг скважин и перфорационных каналов, с механоактивацией поверхности пород, и тем самым может способствовать восстановлению естественного равновесного состояния ПЗП с исходной проницаемостью ее коллектора.
Эксперименты показывают [2], что под воздействием высокоамплитудных низкочастотных колебаний давления в жидкости порядка 0,3 МПа происходит необратимое увеличение абсолютной проницаемости насыщенных пористых сред. Относительные изменения проницаемости искусственно сцементированных кернов доходят до 30% и связаны с образованием новых фильтрационных каналов в пористой среде, изменением пористости, раскрытием трещин, переупаковкой и изменением ориентации слагающих пористую среду зерен. При наличии глинистости вплоть до 35% эти явления усиливаются.
Другая группа явлений связана с влиянием упругих колебаний непосредственно на поровые жидкости и кольматанты в их взаимодействии с твердой поверхностью пор коллектора.
Защита человека и окружающей среды от воздействия вредных и опасных факторов
... качества окружающей среды, гигиенических требований и рекомендаций, высокоэффективных технологий профилактической направленности Опасные и вредные факторы и их воздействие на человека В течение всей жизни человек находится под непрерывным влиянием факторов окружающей среды, благоприятных или вредных для здоровья. ...
Экспериментально обнаружены изменения реологического поведения характеризующихся наличием вязкоупругих и вязкопластических свойств неньютоновских жидкостей. Авторами работ [3,4] исследовалось изменение сдвиговой вязкости нефтей под действием упругих колебаний интенсивностями 8-100 кВт/м 2 и с частотами 20Гц-4,5 МГц. Оказалось, что сдвиговая вязкость сразу после воздействия снижается на 20-30 %, а спустя некоторое время либо восстанавливается полностью (если режим воздействия докавитационный), либо частично (при развитом кавитационном режиме воздействия).
Чем больше содержание асфальтосмолистых и парафинистых компонентов в нефтях, тем большие изменения вязкости в докавитационном режиме наблюдаются при низких частотах воздействия. Время восстановления вязкости после воздействия составляет 5-6 ч и более.
В процессе исследований многократно наблюдалась дегазация пластовых жидкостей под влиянием механических колебаний как высоких, так и низких частот [2, 7]. Процессы дегазации происходят вплоть до установления нового значения равновесной концентрации, которое всегда меньше равновесной концентрации газа без воздействия, причем интенсивность и частота колебаний определяют лишь скорость изменения концентрации газа и время установления новой равновесной концентрации, но не само ее значение. Явление выделения газа из пластовых флюидов в поле упругих колебаний может в зависимости от конкретных условий самым различным образом повлиять на состояние прискважинной зоны и на ее фильтрационные характеристики. Тем не менее в промысловой практике известно немало положительных результатов по интенсификации технологических приемов добычи нефти, опробования и освоения пластов, связанных с явлением дегазации.
Особого внимания заслуживает влияние упругих колебаний на фильтрацию пластовых жидкостей. Помимо рассмотренных выше явлений изменения проницаемости, вязкости, температуропроводности и др., влияющих на фильтрацию посредством изменения самих свойств флюидов, экспериментально наблюдаются специфические «фильтрационные» эффекты. Это, например, весьма значительное (почти двадцатикратное) увеличение относительной фильтрации нефти, газа, воды">скорости фильтрации воды или обычной ньютоновской нефти через модели кернов песчаника при наложении поля интенсивных упругих колебаний в несколько сотен киловатт на 1 м 2 , на частотах 3-10 кГц [1], увеличение до 10 раз скорости фильтрации полярных и неполярных жидкостей, диэлектриков и электролитов в поле колебаний интенсивностью 1,9 кВт/ м2 и частотой 17 кГц [4], увеличение почти на два порядка скорости фильтрации дистиллированной воды и растворов солей через керны пород при воздействии колебаниями частотой 26,5 кГц [1].
Авторы этих исследований объясняют полученные результаты разрушением поверхностных облитерационных слоев в поле упругих колебаний, что увеличивает эффективное сечение мелких пор и уменьшает сопротивление течению в них жидкости.
Следует отметить, что большая часть вышеописанных, ранее известных экспериментальных явлений наблюдается при воздействии упругими колебаниями с довольно высокой интенсивностью порядка 10-100 кВт /м2, обусловленной высокой частотой воздействия. С точки зрения промыслового применения в целях глубокого воздействия на прискважинную зону и пласт наибольший интерес представляют явления, которые наблюдаются при достаточно низких интенсивностях колебаний менее 1 кВт/м 2 , обусловленных низкой частотой менее 1 кГц. Подобные явления наблюдаются при появлении контактов различных жидкостей и газов в поровых каналах, что имеет место в процессах взаимного вытеснения несмешивающихся жидкостей, многофазной фильтрации, гравитационной сегрегации и др. Экспериментальные лабораторные исследования показывают, что под действием упругих колебаний уменьшается кинетический гистерезис смачивания [3], происходит более быстрое и глубокое проникновение жидкостей в узкие щели и капилляры, интенсифицируются процессы капиллярной пропитки, изменяются фазовые проницаемости для нефти и воды, возрастает степень вытеснения нефти из пористой среды [2,3,4,5].
Основные понятия и законы фильтрации нефти, газа, воды
... среды от параметров кривых распределения не могут быть универсальными. 3. СКОРОСТЬ ФИЛЬТРАЦИИ. ЗАКОН ДАРСИ -- ЛИНЕЙНЫЙ ЗАКОН ФИЛЬТРАЦИИ Основной характеристикой фильтрационного движения является вектор скорости фильтрации ... является нефтегазовая подземная гидромеханика, изучающая фильтрацию нефти, газа и воды в пористых ... то такую пористую среду следует рассматривать как упругую. Плотные песчаники или ...
Касаясь энергетических параметров упругих колебаний, следует отметить, что необходимые для воздействия значения их интенсивностей определяются не только характером вызываемых в среде изменений, но и существенно зависят от исходного термодинамического состояния самой среды. Результаты воздействия определяются соотношением между энергией налагаемого колебательного поля и энергией, необходимой для перевода системы из состояния устойчивого термодинамического равновесия в новое стационарное состояние. И если для перевода системы из состояния равновесия в новое состояние требуется весьма значительная энергия внешнего воздействия, то в случае нахождения ее в метастабильном состоянии внешнее воздействие даже малой интенсивности способно вызывать качественно новое состояние среды [1].
Воздействие на среду с учетом возможной метастабильности ее характеристических параметров энергетически является наиболее выгодным.
Существенная исходная термодинамическая неравновесность призабойной зоны как объекта воздействия [5], возможность проявления в процессах разработки месторождений естественных сил, например, возникновение скачков насыщенностей, неравновесных состояний капиллярных сил на контактах разно насыщенных зон, которые могут достигать в мелких порах продуктивной среды значений 0,003 — 0,05 МПа [1] и существовать длительные периоды времени [6], а также возможность существования в призабойной зоне других метастабильных состояний — все это предполагает возможность «отклика» ПЗП при виброволновом воздействии с достаточно низкими интенсивностями колебательного поля.
2. СОСТОЯНИЕ ЖИДКИХ И ВЗВЕШЕННЫХ ТВЕРДЫХ ФАЗ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ В ПОЛЕ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ
2.1 Поведение остаточных насыщенностей нефти и воды и изменение относительных проницаемостей фаз
Известно, что если пористая среда насыщена двумя несмешивающимися жидкостями и достигнута некоторая предельная остаточная насыщенность среды по одной из них, то фазовая проницаемость для последней обращается в нуль. Это означает, что остаточная жидкость разбивается в поровых каналах на отдельные, не связанные друг с другом капли и скопления, которые изолированы — окружены со всех сторон жидкостью противоположной фазы и неподвижны при ее фильтрации в равновесных условиях. И это при том, что объемное содержание остаточной жидкости в порах может быть довольно высоким.
Буровые промывочные жидкости
... среды и увеличения количества жидкости в порах породы. Скорость отделения частиц породы в процессе разрушения стенок скважин зависит от величины давления столба промывочной жидкости, а также гидромеханического воздействия жидкости ... охлаждает бурильные трубы, нагревающиеся вследствие трения о стенки скважины. Буровые растворы обладают относительно высокой теплоемкостью, поэтому функция охлаждения ...
Данное явление во многом определяет остаточную нефтенасыщенность обводненных пластов и является причиной снижения приемистости нагнетательных скважин из-за «защемления» в порах коллектора нефтяной фазы, а также снижения продуктивности добывающих скважин (часто вплоть до нуля) при попадании в нефтенасыщенный коллектор воды.
В работах [1,3] высказывается предположение, что вибрационное встряхивание может на короткое время восстанавливать связность и фильтрационное течение остаточной фазы. Имеются экспериментальные данные [6], свидетельствующие о возможности продвижения изолированных включений нефти в природных материалах в условиях повышенной скорости фильтрации при сильном гидродинамическом напоре. Авторы этих исследований объясняют этот эффект, отталкиваясь от развитых в теории перколяции соображений о распределении изолированных включений по размерам, и полагают, что с увеличением гидродинамического напора некоторая часть достаточно больших включений изолированной фазы может приобрести подвижность.
Также в работе [1] авторами была оценена возможность увеличения подвижности изолированных капель остаточной фазы — ганглиев в поле упругих колебаний на модели движения межфазных менисков в поровых каналах, представленных системой поровых расширений, соединенных поровыми сужениями. Подобная модель поровой среды характерна, например, для хаотической упаковки шаров или для уплотненного кварцевого песка.
Авторы [1] рассмотрели отдельную «защемленную» в микропоре среды каплю нефти внутри водной фазы и по результатам полученных зависимостей пришли к нескольким выводам.
Во-первых, с уменьшением проницаемости среды относительное значение эффекта виброволнового воздействия возрастает.
Во-вторых, согласно рассмотренной модели наиболее существенное влияние упругих колебаний следует ожидать в областях преобладания насыщенности одной фазы над другой, при образовании застойных областей «малой» фазы в малопроницаемых порах среды. Виброволновое воздействие мобилизует жидкости в мелких порах, способствует восстановлению связности «малой» фазы и ее фильтрационному течению по пористой среде.
Полученные представления были использованы авторами при составлении проектно-технологических схем проведения опытно-промысловых работ по вибросейсмическому воздействию на обводненные пласты с целью повышения нефтеотдачи. Результаты этих работ на месторождениях с различными геолого-физическими характеристиками показали хорошее совпадение прогнозных и опытных данных.
2.2 Процесс декольматации призабойной зоны пласта
Интенсификация процессов очистки ПЗП от естественных или внесенных кольматирующих отложений и улучшение ее фильтрационных характеристик под действием упругих колебаний — это многократно подтверждаемый процесс, реализованный в ряде технологий обработки добывающих и нагнетательных скважин [2-7]. Тем не менее успешность обработок ПЗП могла бы быть существенно выше. Известные опытные исследования процессов декольматации в поле упругих колебаний представляют в основном качественные, а не количественные результаты, отсутствуют математические модели влияния механических колебаний на процессы кольматации и суффозии, которые позволили бы прогнозировать кинетику этих процессов в зависимости от внешних условий и параметров виброволнового воздействия.
Механика жидкости и газа (2)
... механики сплошной среды. Сплошной средой считается не только твёрдое тело, жидкость или газ, но и плазма (даже сильно разряженная), такая, как звёздный ветер. Число частиц ... во времени (например в случае мяча, упруго ударяющегося о пол). Однако нередки и такие ... двигателя первого рода (устройства, способного совершать работу, превосходящую необходимые для его функционирования затраты энергии). ...
Теоретические исследования в области фильтрации жидкостей, содержащих взвешенные твердые частицы, описывающие явления заиливания, кольматации, а также выноса мелких частиц из пористой среды — суффозии, начинались работами СВ. Избаша, А.Н. Патрашева, Д.М. Минца. Эти исследования были развиты Ю.М. Шехтманом применительно для расчетов заиливания призабойной зоны нагнетательных скважин и выноса мелких частиц грунта из нефтеносного пласта. А авторами [1] была предложена теоретическая модель, позволяющая прогнозировать динамику процессов суффозии с учетом реальных свойств пористой среды и кольматанта под влиянием упругих колебаний.
Рассмотрим одномерную задачу фильтрации смесей жидкости со взвешенными твердыми частицами по пористой среде, в процессе которой происходят так называемые фильтрационные деформации среды — изменения пористости, проницаемости и ее объемного веса. Под поровым пространством понимается объем сообщающихся пустот исходной невозмущенной среды. В процессе фильтрации часть взвеси твердого вещества задерживается и осаждается в поровом пространстве, а часть осевших частиц срывается, попадает вновь в фильтрационный поток и выносится из среды.
Обозначим как:
- г — объемную долю жидкого вещества или насыщенность порового пространства жидкостью;
в — насыщенность порового пространства осевшими твердыми частицами, причем
в = ж + ев
где ж — объемная доля собственно твердого вещества в в; ев — насыщенность неподвижной жидкостью, связанной с осевшей массой твердых частиц;е — пористость осевшей массы;
- б — насыщенность порового пространства взвешенными твердыми частицами;
- о — насыщенность порового пространства свободной жидкостью;
д = б/(б + о)
- объемную концентрацию взвешенного твердого вещества в движущейся смеси.
Из определений следует, что
г+б+ж=1; о+в+б=1; г=о+ев (2.1)
Пористость среды в процессе фильтрации определяется зависимостью
m=m 0 г,
где m 0 — пористость исходной невозмущенной среды. При этом считается, что размеры взвешенных частиц достаточно малы по сравнению с начальными размерами пор, а скорости их движения пропорциональны скорости самой жидкости.
Пусть на пористую среду в процессе фильтрации взвеси наложено внешнее механическое колебательное поле. Будем оценивать изменения объемной концентрации и всех насыщенностей. Для этого, как следует из соотношений (2.1), достаточно определить величины в и д в функции от координат и времени.
Каждая частица в процессе фильтрации может попеременно находиться в одном из двух состояний — либо на поверхности пор в покое, либо во взвешенном состоянии двигаться совместно с жидкостью. Это позволяет ввести коэффициент состояния
И=б/(б+в) (2.2)
отношение количества взвешенного твердого вещества ко всему количеству неподвижного кольматирующего вещества в поровом пространстве, состоящего из твердых частиц и связанной жидкости.
В работе [5] на основе закона Дарси, уравнения неразрывности для жидкой фазы и закона сохранения вещества твердой фазы выведено уравнение баланса, связывающее в дифференциальной форме две искомые функции поставленной задачи:
(2.3)
При постоянном перепаде давления
(2.4)
где Q(t) — функция расхода смеси в процессе фильтрации. При постоянном расходе Q(t) = Q 0 = const и
(2.5)
где u 0 = Q0 /m0 .
Для получения системы уравнений и решения сформулированной задачи требуется к данному уравнению баланса, которое выражает общий закон сохранения вещества и не связано с дополнительными условиями процесса, добавить уравнение кинетики, которое описывало бы процессы осаждения и срыва кольматирующих частиц и учитывало бы одновременно характер внешнего колебательного воздействия.
Абстрагируясь от причин, влияющих на прилипание взвешенных частиц к поверхности пор среды, будем считать, что отрыв покоящейся частицы кольматанта происходит при превышении потоком жидкости некоторой критической скорости и*. Значение критической скорости в каждом конкретном случае зависит от структурных особенностей порового канала и характера взаимодействия твердой поверхности с кольматирующими частицами. Ввиду неоднородности и структурной нерегулярности естественных пористых сред в процессе фильтрации возникает поле истинных скоростей потоков жидкости. При этом для определенного среднего значения скорости фильтрации в порах среды может наблюдаться то или иное число случаев, когда истинная скорость потока больше критической и когда она меньше критической скорости. Помимо структурной нерегулярности на флуктуации истинных скоростей потоков жидкости в порах влияют также механическое колебательное и температурное поля.
Рассмотрим общий случай, когда могут происходить одновременно срыв и задерживание частиц, что соответствует неравномерной деформации пористой среды в процессе фильтрации суспензии.
Предположим, что за единицу времени в единице объема пористой среды наблюдается и 1 случаев превышения критической скорости в порах и и2 случаев, когда скорость жидкости меньше критической. При этом и1 случаев предельных амплитуд скоростей в единицу времени вызовут Aи1в случаев перехода твердых частиц из неподвижного состояния во взвешенное в единице объема среды, а и2 случаев уменьшения скорости ниже критической вызовут Aи2 б случаев прилипания твердых взвешенных частиц. Здесь А — безразмерный параметр, характеризующий свойства пористой среды и кольматанта в их взаимодействии и учитывающий физико-химическую природу процесса.
Исходя из этого, можно записать дифференциальную зависимость коэффициента состояния от случаев предельных амплитуд скоростей
(2.6)
Предположим линейную зависимость между количеством предельных амплитуд скоростей и средней скоростью фильтрации
(2.7)
где u * — критическая скорость; D — коэффициент случаев предельных амплитуд скоростей для данной температуры и механического колебательного состояния. Физический смысл введенного коэффициента D в том, что он дает количество предельных амплитуд скоростей за единицу времени и в единице объема при отсутствии средней скорости фильтрации.
Зависимость критической скорости u * от в согласно опытным данным [2] может быть выражена в виде
(2.8)
где u 0 — начальная скорость, при которой частицы кольматанта впервые достигают предельного равновесия и начинают перемешаться в порах среды; a* — опытный параметр порядка 102 с/м.
Подставляя (2.7) и (2.8) в (2.6), получаем
(2.9)
Учитывая (2.1) и (2.2), коэффициент состояния выражается через д и в в виде
(2.10)
Таким образом, уравнение (2.9) совместно с уравнением баланса (2.3) составляют систему из двух уравнений с двумя искомыми функциями д(х,t) и в(x,t).
Отметим, что в процессах суффозии зависимости коэффициента проницаемости пористой среды и ее пористости от в могут быть выражены в виде [4]:
; (2.11)
где к 1 , т1 — соответственно проницаемость и пористость к началу процесса суффозии (в = 1); кo , тo — соответственно проницаемость и пористость к концу процесса (в = 0).
Решение полученной системы позволяет определить изменения объемной концентрации и насыщенности порового пространства осевшими частицами, а также коэффициенты проницаемости и пористости поровой среды, во-первых, в различные моменты времени, а во-вторых, по длине пути фильтрации в процессе суффозии под действием упругих колебаний, параметры которых задаются коэффициентом D.
Представляет интерес сопоставить решение полученных уравнений с опытными результатами. В [1, гл. 3] описаны результаты проведенных авторами экспериментальных исследований процессов декольматации кернов под влиянием упругих колебаний. В ходе опытов керн Мончаровского месторождения диаметром 0,28 м и длиной 0,1 м, с начальной пористостью m 0 = 25 % и начальной проницаемостью кр 0 = 0,25 мкм2 сначала кольматировали путем профильтровывания 150 объемов пор глинистого раствора до снижения проницаемости на два порядка, а затем при обратной фильтрации с постоянной скоростью 0,15*10-5 м/с и с одновременным наложением упругих колебаний исследовали относительное приращение его проницаемости по времени.
В целях сопоставления результатов влияния на процесс суффозии (Вынос растворимых веществ и мелких минеральных частиц из горных пород потоком фильтрующейся в их толще воды) упругих колебаний различной частоты производили ступенчатое включение колебаний различных частот, начиная с высоких, причем во избежание резких необратимых изменений состояния пористой среды скорость фильтрации поддерживалась на два порядка ниже начальной критической u 0 = 0,1*10-3 м/с, а колебания давления задавали на около пороговых уровнях.
Учитывая условия экспериментов, допустим, что объемная концентрация взвешенного в жидкости вещества д в ходе исследований постоянна, а срыв частиц с поверхности пор происходит равномерно по пути фильтрации и не зависит от координаты х, а изменяется только во времени. Далее, поскольку на всем протяжении опытов значения в незначительно отличались от единицы, то величиной (1 — в) 2 в уравнении (2.9) можно пренебречь. В результате имеем:
(2.12)
Интегрируя это уравнение при постоянной скорости фильтрации u=u ф и начальных условиях и(0) = и0 , получаем:
(2.13)
Теперь относительные изменения проницаемости, принимая во внимание (2.10) и (2.11), выразим как
(2.14)
В ходе расчетов по полученным выражениям характер наложения вибрации (ступенчатое изменение частот) учитывался заданием соответствующих значений и 0 i , k1 i , Di (в определенные промежутки времени ti — tj ) в выражениях (2.13) и (2.14).
При выполнении расчетов принималось:
; ;
; ;
- ;
- ;
- м/с.
Графики опытных функций k(t)/k 0 при очистке керна от кольматирующего материала с поэтапным наложением упругих колебаний различных частот приведены на рис. 2.1. Там же пунктиром нанесены значения k(t)/k0 , вычисленные с использованием выражений (2.13), (2.14).
При уменьшении частоты воздействия от 11 кГц до 1000 Гц коэффициент случаев предельных амплитуд скоростей увеличивается от 0,065 до 0,35. Кривые 1-3 (см. рис. 2. 1) показывают удовлетворительное совпадение опытных и расчетных результатов.
Рис. 2.1. Относительные приращения проницаемости керна в ходе обратной фильтрации со скоростью 0,15*10 -5 м/с при поэтапном воздействии упругими колебаниями с частотами: t2 -t1 — 11000 Гц; t3 -t2 — 6800 Гц; t4 -t3 — 1000 Гц
Полученная теоретическая модель позволяет прогнозировать динамику процессов суффозии с учетом реальных свойств пористой среды и кольматанта под влиянием упругих колебаний. При накоплении данных экспериментальных исследований процессов очистки пористых сред при наложении упругих колебаний входящие в модель значения эмпирических параметров, а также их зависимость от частоты виброволнового воздействия будут уточняться.
2.3 Резонансное возбуждение упругих колебаний
В области возбуждения упругих волн наиболее изучено воздействие силовой нагрузкой непосредственно с поверхности Земли, которое осуществляют и с целью невзрывных сейсмических исследований [5], и для направленного вибросейсмического воздействия на неглубокозалегающие нефтяные залежи [2,3,6]. На основе численного и аналитического исследования многослойных моделей установлено, что в многослойном полупространстве может существовать диапазон частот, в котором возникают обратные волны, характеризующиеся противоположным направлением фазовой и групповой скоростей. Исследовано распределение энергии по глубине и типам волн. Анализируются линии тока энергии, которые могут быть сильно закручены вплоть до образования областей, в которых энергия циркулирует по замкнутым траекториям, и в окрестностях резонансных частот мощность этих внутренних циркулирующих потоков может существенно превышать поток мощности, поступающей от источника.
Тем самым энергия источника имеет свойство накапливаться с неограниченным ростом амплитуды в определенных областях полу бесконечного слоистого пространства.
Существование резонансных режимов возбуждения колебаний в скважине, связанных с параметрами вмещающей пористой среды, которые возникают в до критической области частот, подтверждают некоторые акустические эксперименты [5], показывающие, что если в ствол заполненной жидкостью скважины опустить приемник звуковых колебаний и замерять энергетический спектр шума, то на уровне залегания насыщенного жидкостью пласта можно выделить резонансную частоту.
Резонансное возбуждение скважины может достигаться как в режиме высокочастотных радиальных резонансов слоя жидкости [1], так и в режиме продольных резонансов столба жидкости на низких частотах [2].
Радиальный резонанс определяется радиусом скважины и возникает на высоких частотах порядка десятка килогерц и выше. При этом достигается согласование режима работы генератора и вмещающей скважину среды, так что практически вся мощность генератора передается в окружающий массив. Изменением частоты и распределением нагрузки по поверхности генератора можно управлять энергетической структурой поля в прискважинной зоне.
Однако практическое использование радиальных резонансов существенно осложняется по следующим причинам. Частоты даже первых радиальных резонансов при существующих радиусах скважин слишком велики как для благоприятного проявления механизмов воздействия упругих колебаний на нефтеносный пласт, так и для согласования по частоте с резонансными режимами возбуждения пласта. К тому же упругие высокочастотные волны испытывают в породах сильное затухание. Поскольку движение среды при таких резонансах носит радиальный характер, то получение высоких амплитуд давления в скважине ограничивается допустимыми радиальными смещениями обсадной колонны и цементного кольца.
При продольных резонансах частота колебаний столба жидкости в скважине определяется в основном расстоянием между отражающими поверхностями скважины. За нижнюю отражающую поверхность обычно принимают зумпф, за верхнюю — контакт жидкости и газа в колонне скважины. При больших расстояниях между этими границами резонансная частота колебаний будет достаточно низкой. Тем не менее эффективное использование продольных резонансов на низких частотах связано с определенными трудностями. Для создания резонансных продольных колебаний всего столба жидкости необходимо точно определить уровень жидкости в скважине, а также фазовую скорость распространения трубной волны по ней. Отражающие свойства нижней границы — зумпфа невелики, поскольку волновое сопротивление бетона и подстилающих горных пород ненамного превышает волновое сопротивление скважинной жидкости. Из-за значительной длины столба жидкости много энергии расходуется на затухание волн в самой жидкости и излучается в непродуктивные зоны выше нефтяного пласта.
Пытаясь избавиться от вышеперечисленных недостатков, применяют различного рода погружные резонансные устройства, в которых генератор с заданной частотой жестко связан с акустическими фильтрами-отражателями [3].
Подобные устройства состоят из генератора и замкнутого в корпусе устройства резонатора, при этом объем жидкости, заполняющей полость камеры-резонатора, образует колебательный контур, в котором устанавливается стоячая волна. Резонансное возбуждение колебаний достигается, если длина L 1 , отражателя и частота работы генератора f0 связаны соотношением
L 1 = c/4fQ ,
где с — фазовая скорость распространения волн в жидкости.
Использование подобных устройств с фиксированными параметрами L 1 , fQ на практике недостаточно эффективно, так как фазовая скорость упругих волн в скважинной жидкости зависит от упругих свойств вмещающих пород и глубины погружения [4].
На продуктивном перфорированном интервале обсаженной скважины данная фазовая скорость также зависит от пористости и проницаемости пород коллектора, вязкости скважинной жидкости и ее сжимаемости в поровом пространстве коллектора [5] и может меняться от скважины к скважине. Все это приводит к существенной нестабильности работы и невозможности достижения на практике резонансных режимов устройств, конструируемых по упрощенным правилам без учета вышерассмотренных факторов. К тому же длины резонансных устройств с фиксированными параметрами не могут быть достаточно большими по конструктивным причинам, а это ограничивает низкочастотный диапазон возбуждения для генератора.
Возможно также и использование погружных резонансных устройств с использованием полых погружных отражателей-фильтров. На рис. 2.2 приведена принципиальная схема резонансного режима возбуждения скважины с использованием полых погружных отражателей-фильтров. Полые отражатели-фильтры 1 заполняют газом и закрепляют на колонне насосно-компрессорных труб 3. Они образуют небольшой кольцевой зазор со стенками обсадной колонны. Перед спуском насосно-компрессорных труб в скважину расположение отражателей-фильтров по длине скважины и относительно генератора колебаний 2 может изменяться. При этом выбирают такие расстояния между отражателями, чтобы большая часть энергии генератора приходилась на продуктивный интервал.
Рис. 2.2. Принципиальная схема резонансного режима возбуждения скважины с использованием полых погружных отражателей-фильтров.
Меняя расстояние между отражателями и генератором в пределах продуктивного интервала скважины, можно подбирать резонансные частоты возбуждения и добиваться согласования возбуждающей частоты с резонансными свойствами продуктивного пласта.
С помощью таких установок эффективные глубины виброволнового воздействия на ПЗП могут достигать значения 10 м и более. Глубину эффективного воздействия можно увеличить при осуществлении виброволнового воздействия с учетом резонансных и волноводных свойств скважинных и пластовых систем.
3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОБРАБОТОК СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИБРОВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ. СКВАЖИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ КОЛЕБАНИЙ
Среди многообразия устройств генерирования упругих колебаний наиболее предпочтительными для осуществления виброволновых обработок ПЗП являются скважинные гидродинамические генераторы упругих колебаний (ГДГ), работа которых основана на использовании энергии потока жидкости или газа. Для их функционирования требуется лишь штатное нефтепромысловое оборудование — устьевые насосные агрегаты. Режимные напорно-расходные параметры последних, в особенности предназначенных для задач гидроразрыва пластов, весьма велики, что позволяет при достаточно высоком коэффициенте полезного действия (КПД) гидродинамического генератора создавать на забое скважины существенную энергонапряженность упругого колебательного поля. Кроме того, весьма важно, что скважинные обработки с использованием ГДГ органично совмещаются со штатными промысловыми операциями подземного (ПРС) и капитального (КРС) ремонта скважин и с операциями большинства традиционных методов обработок ПЗП и пласта.
К настоящему времени известно довольно много конструкций гидродинамических скважинных генераторов колебаний давления, разработанных различными организациями и в связи с проблемами нефтедобычи, и для использования в других отраслях промышленности. Однако в большинстве случаев у известных конструкций генераторов отсутствуют обоснованные параметры генерируемых колебаний давления. Чаше всего испытание разработанного и изготовленного образца сводится непосредственно к проведению обработок скважин, по результатам которых делается заключение о практической ценности той или иной конструкции, а затем на его основе выдаются рекомендации к внедрению. Использование недостаточно обоснованных технологий, отсутствие объективных данных о параметрах рекомендуемых генераторов колебаний приводят к снижению успешности перспективного метода и, как следствие, к падению интереса к нему со стороны нефтегазодобывающих предприятий.
В связи с этим проведение стендовых и промысловых исследований различных конструкций гидродинамических генераторов с объективной аппаратурной оценкой их рабочих параметров, возможностей функционирования при различных условиях обработок скважин необходимо как для правильного назначения режимных технологических операций конкретного устройства, так и для определения наиболее перспективных направлений дальнейших исследовательских, опытно-конструкторских и внедренческих работ. Такие исследования были проведены авторами работы [1].
Подробнее остановимся на полученных результатах.
3.1 Генераторы пружинно-клапанного и клананно-ударного типа
Из исследованных в [1] устройств к данному типу гидродинамических генераторов можно отнести генератор клапанный ГК-2 конструкции БашНИНИнефти, пульсатор вставной ПВ-54 конструкции ТатНИПИнефти, клапанно-ударный вибратор КУВ-100 конструкции б. МИНГ и ГП. Общий недостаток пружинно-клапанных устройств, выявленный в результате проведенных испытаний,- жесткое регламентирование узкой режимной области расходов и недостаточная надежность работы, обусловленная необходимостью точного согласования жесткости пружины и массы клапана. Небольшие изменения напорно-расходных характеристик подачи рабочей жидкости, равно как и неизбежные в ходе непрерывной работы усталостные изменения в конструкционных элементах (пружинах), приводят к срыву генерации. Исследованный экземпляр ПВ-54 показал неустойчивую работу и малую амплитуду колебаний давления. У генератора ГК-2 в области расходов от 100 до 350 м 3 /сут после тщательного подбора пружины из числа представленных авторами устройства обнаружилась сравнительно устойчивая работа вибратора на низкой частоте, при малой амплитуде колебаний давления. Клапанно-ударный генератор КУВ-100 генерирует достаточно высокоамплитудные колебания давления, однако ресурс его работы весьма мал и исчисляется минутами. Генератор выходит из строя из-за развития в его клапанных узлах ударных напряжений, существенно превышающих пределы прочности периодического нагружения конструкционных материалов.
