Виброволновое воздействие на пласт

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физико-Технический институт

Кафедра механики многофазных систем

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Экспериментальные методы исследования»

по теме: «Виброволновое воздействие на пласт»

Тюмень 2015



Исследование влияния упругих колебаний на продуктивный пласт на данный момент является одним из самых перспективных направлений исследований в области повышения извлечения нефти из пластов.

Специалистов нефтегазовой области всегда в первую очередь, интересовало практическое использование новейших высокоэффективных и рентабельных технологий, ведь они способны обеспечить стабильный прирост добычи нефти в сложных геолого-промышленных условиях. И с годами этот интерес только повышается. В процессе разработки нефтяных месторождений уменьшается пластовое давление и на каком-то определенном этапе разработки месторождения существующая энергия пласта становится недостаточной для вытеснения нефти из малопроницаемых зон пласта в эксплуатационные скважины, в результате чего в пласте появляются застойные малоподвижные зоны нефти. В неоднородных по проницаемости пластах в процессе вытеснения нефти водой создаются условия для блокирования нефти в наименее проницаемых зонах пласта и, как следствие, увеличение притока воды к эксплуатационным скважинам, что приводит к уменьшению извлечение нефти из пластов.

Наибольший интерес представляет изучение влияния упругих колебаний на пористую среду призабойной зоны пласта (в дальнейшем - ПЗП), а вот влиянию упругих колебаний на застойные зоны нефти в нефтяном пласте с целью увеличения коэффициента извлечения нефти находятся на начальной стадии. А также мало изучены механизмы взаимодействия поля упругих колебаний и пористой насыщенной нефтью и водой средой пласта при фильтрации нефтеводяной смеси в нефтяном пласте. Прежде всего, это механизмы влияния упругих колебаний на скорость фильтрации флюидов в пористой среде.

Цель данной работы - это теоретические исследования влияния упругих колебаний с различными частотами на фильтрацию смесей нефти и газа в призабойной (ПЗП) и межскважинной (МЗП) зонах пласта и, как итог, увеличение производительности нефтяных скважин и коэффициента извлечения нефти нефтяных месторождений. В работе приведены исследования, которые проводились в Ивано-Франковском национальном техническом университете нефти и газа и научно-производственной фирме «Интекс».

Исторические предпосылки воздействий на пласты с помощью упругих колебаний

Первые попытки воздействовать на нефтяные скважины упругими колебаниями были предприняты еще в 19 веке. Владельцы нефтяных скважин в США выкапывали вокруг устья скважин глубокие траншеи, куда закапывались мешки с порохом. Когда их подрывали, дебит скважин повышался. А причиной к началу исследований виброволновых воздействий на нефтегазовые залежи стали землетрясения. Было обнаружено, что во время землетрясений менялись давления в пласте и нефтеотдача скважин. Нефтеотдача увеличивалась и при прохождении тяжеловесных железнодорожных составов близи скважины, ведь при этом тоже создавались вибрации.

Интенсификация добычи углеводородов с помощью упругих волн

Сама по себе методика применения волновых методов воздействия к нефтяным пластам изучается уже больше половины столетия.

Основой этих волновых методов для повышения нефтеотдачи является формирование поля упругих колебаний внутри продуктивного пласта и в ПЗП. Наблюдаемые при этом физические явления делают возможным интенсификацию фильтрации флюидов в пористом коллекторе. В результате повышается объем добываемого углеводородного сырья и снижаются затраты энергии.

Несмотря на то, что сейчас при эксплуатации месторождений используются все новые и новые совершенствующиеся технологии, уровень нефтеотдачи все еще низок. В России, например, извлекается только 30% от геологических запасов.

Почему следует отметить именно виброакустические методы воздействия на пласт?

Во-первых, даже уже само по себе виброволновое воздействие на пласт приводит к повышению интенсификации. Во-вторых, если применять этот способ совместно с другими методами повышения интенсификации достигается сверхсуммарный эффект, то есть превышающий эффект использования данных методов по отдельности.

Методы виброволнового воздействия применяются путем спускания на забой скважины различных устройств. Наиболее используемыми стали генераторы, где используется гидродинамический напор технологической жидкости, которая закачивается в скважину. Это может быть вода или ПАВ, например, нефть, кислота, растворитель и так далее. Также выделяют забойные излучатели ударно-импульсного воздействия, которые реализуют такие воздействия как: термогазохимическое воздействие, разрыв пласта давлением пороховых газов, виброфрак, стереофрак, воздействие гидроимпульсами, которые создаются при взрыве газообразных смесей , ударное воздействие резким снятием давления с пакера или на устье скважины, создание управляемых депрессий и др.

Рассмотрим, как ведут себя остаточные насыщенности нефти и воды и как изменяются относительные проницаемости фаз при виброволновом воздействии.

Фазовая проницаемость равна нулю, когда пористая среда становится насыщенной какими-то двумя несмешивающимися жидкостями, а также когда уже достигнут предел остаточной насыщенности. Следовательно, остаточная жидкость в порах пласта разделяется на отдельные, не связанные друг с другом капли и скопления, которые в свою очередь отделены жидкостью с противоположной фазой. При этом эти капли неподвижны при фильтрации этой жидкости в равновесных условиях, несмотря на то, что содержание остаточной жидкости может достигать достаточно больших процентов.

Это явление является причиной снижения приемистости нагнетательных скважин, когда поры коллектора нефтяной фазы «защемляется», а также снижения продуктивности добывающих скважин, когда в нефтенасыщенный коллектор попадает вода.

Однако вибрационное встряхивание способно ненадолго восстанавливать связность и фильтрационное течение остаточной фазы. Также существует возможность продвижения изолированных включений нефти в природных материалах, когда скорость фильтрации высока из-за сильного гидродинамического напора. Из этого следует, что с повышением гидродинамического напора, некоторая часть достаточно больших включений может выйти из равновесного состояния и начать двигаться.

Можно сделать несколько выводов:

- Когда уменьшается проницаемость среды, возрастает относительное влияние виброволнового эффекта.

- Наиболее сильное влияние упругих колебаний ожидаются в областях, где насыщенность одной фазы преобладает над другой, когда образуются застойные области меньшей фазы в малопроницаемых порах среды. Виброволновое воздействие вызывает движение жидкости в мелких порах, помогает восстановить связность «малой» фазы и ее фильтрационное течение в пористой среде.

Рассмотрим явления в ПЗП подробнее.

Воздействия, примененные к призабойной зоне пласта.

Призабойная зона пласта (ПЗП) - это часть продуктивного пласта, где термогидродинамические условия фильтрации существенно отличаются от фильтрационных условий в пласте. Фильтрационные процессы в этой зоне осложняются множеством эффектов, связанных с бурением скважин и разработкой залежей.

Деформация и разрушение горных пород, создание в них макро- и микротрещин, проникновение в пласт промывочной жидкости и кольматация порового трещинного пространства, которые происходят совместно, когда вскрывают продуктивный пласт, очень сильно ухудшают фильтрационные свойства призабойной зоны.

В то же время могут возникнуть такие явления как:

· образование зоны повышенного напряженного состояния коллекторов, существенно уменьшающего продуктивность скважин;

· фильтрат бурового раствора, проникая в пласт, из-за поверхностных явлений в пористой среде может прочно связаться с породой, а его часть может остаться в ней и после освоения скважины;

· разбухание глинистых частиц, которые содержатся как в терригенных, так и в карбонатных породах, из-за контакта с пресной водой;

· проникновение фильтрата в пласт может вызывать образование стойких водонефтяных эмульсий, которые закупоривают призабойную зону пласта;

· химическая реакция ионов, которые растворены в пластовой воде солей, с ионами солей, растворенных в фильтрате, может вызывать образование твердых осадков в поровых каналах.

Загрязнение ПЗП в процессе эксплуатации возникает из-за внесения частиц пластовым флюидом, а при бурении - из-за проникновения в пласт фильтрата промывочной жидкости (ПЖ). Если учитывать действительные эффективные размеры пор, то можно утверждать, что размер частиц загрязнителя не превосходит 5*10-6 метра. Жидкости, которые содержат частицы данного размера, называют коллоидно-дисперсными системами (КДС). Они состоят из дисперсной среды, которой является жидкость, и дисперсной фазы - это коллоидные частицы размером от 5*10-6 до 10-9 метра. В общем, КДС обладают седиментационной устойчивостью, то есть дисперсная фаза в них не оседает, потому что силы отталкивания между частицами и между частицами и поверхностью капилляров превышают электростатические силы притяжения Ван-дер-Ваальса между ними. Но при приближении к ПЗП скорость частиц растет. Разумеется, растут и центробежные силы, которые действуют на частицы в извилистостях поровых каналов.

Под действием данных сил частицы отклоняются от направления потока и приближаются к поверхности пор на расстояние, когда силы ближнего взаимодействия, или силы Ван-дер-Ваальса, становятся больше сил отталкивания. В итоге, частицы теряют подвижность и их концентрация достигает критических значений, а значит происходит коагуляция (слипание частиц, которые затем образуют пространственную структуру, пронизывающую жидкость. Эта структурированная жидкость становится неньютоновской, или другими словами, обретает структурную вязкость, которая превышает на несколько порядков исходную вязкость дисперсионной среды, из-за чего зона возле скважины теряет потенциальную проницаемость.

При вращательном бурении проницаемость призабойной зоны уменьшается в основном из-за того, что в пласт проникает фильтрат промывочной жидкости и бурового шлама. Такое явление вызвано избыточным гидростатическим давлением в скважине, которое необходимо для того, чтобы предотвратить обрушение стенки скважины. Усиление процесса кольматации возникает при бурении глинистых пород, при недостаточной промывке, когда выбуренная порода многократно перетирается на забое скважины.

Многочисленные исследования показали, что можно выделить три зоны кольматации стенок скважины промывочными жидкостями, рисунок 1.

Образование глинистой корки происходит из-за того, что фильтрат раствора вытесняется в поры горной породы и стенка скважины глинистых минералов и частиц выбуренных пород уплотняется. Через глинистую корку в приствольное пространство проходят только фильтрат раствора и мельчайшие частицы шлама.

Рисунок 1.Схема кольматации стенок скважин в процессе бурения

1 - зона проницаемости; 2-глинистая корка; 3- зона проникновения твердой фазы раствора и шлама; 4- зона проникновения жидкой фазы; 5- раствор.

Проникновение в пласт промывочной жидкости, делающее возможным кольматацию призабойной зоны скважины (ПЗС), следует рассматривать с двух позиций:

· как результат механического проникновения в поры и трещины пород бурового раствора;

· как результат физико-химического взаимодействия раствора и породы.

Величина механического проникновения промывочной жидкости в пласт зависит от его вязкостных свойств, фильтрационной способности породы и избыточного гидростатического давления на пласт.

Существует несколько аналитических зависимостей для определения

Проникновения раствора в пласт глубины. Наиболее универсальная - формула А.Х.Мирзаджанзаде:



,

где l - это глубина проникновения раствора в пласт; ДP0 - перепад давления в пласте при предельном равновесии; К - проницаемость пористой среды при фильтрации вязкопластической жидкости; б - безразмерная константа (по опытным данным для вязкопластической жидкости б =155...180); ф0 - предельное напряжение сдвига раствора.

Сама же величина ДP0 равна:

где Х - удельный вес промывочной жидкости; ? - глубина статического уровня воды в скважине; Н - глубина поглощающего пласта; Rc+R?k - cоответственно радиусы скважины и бурильной колонны.

Под влиянием разности давлений между пластом и глинистым раствором, глинистый раствор будет проникать вглубь пласта, пока разность давлений уже не сможет превзойти сопротивление начального сдвига раствора. При наступлении равновесия проникновение в пласт заканчивается. Зона проникновения фильтрата (жидкой фазы) раствора существенно больше по масштабам, чем зона проникновения промывочной жидкости, то есть ее твердой и жидкой фазы.

Глубину R, на которую проникает фильтрат глинистого раствора, рассчитывают по формуле:

где W - это количество промывочной жидкости, которая проникает в пласт; Rc - радиус скважины, см; бв - коэффициент остаточного водонасыщения; m - пористость пласта.

Один из методов воздействия на призабойную зону скважин для интенсификации нефтедобычи - воздействие виброударных волн, которые возникают при перекачивании жидкости через гидроударник, устанавливаемый в эксплуатационной колонне на насосно-компрессорных трубах напротив перфорационных отверстий.

Еще в 2003 году было разработано технологическое для эффективного проведения ремонтных работ скважин. В результате проведенных работ был разработан опытный образец специального устройства - генератор виброволн (рисунок 2).

Рисунок 2. Генератор виброволн:

1 - верхний переходник; 2 - клапан шламовый; 3 - гидротормоз; 4 -корпус клапана; 5 - клапан; 6 - дроссельный шток; 7 - ограничитель хода клапана; 8 - шток бойка; 9 - боек; 10 - корпус; 11- нижний цилиндр; 12 - распределитель.

Это устройство предназначено для виброволнового воздействия на призабойную зону пласта, чтобы восстановить дебит, создавая циклические гидроудары в широком диапазоне частот. Генерирование виброволн в гидроударной машине основано на использовании гидравлических ударов, которые возникают при перекрытии клапаном потока жидкости, нагнетаемой через корпус устройства. Обработка происходит внутри эксплуатационной колонны.

Полагается, что как итог воздействия ударных волн в пласте появляются волны колебания, которые возбуждают упругие собственные колебания пористой среды. В результате происходит разрыв горных пород и образуется сеть микротрещин. Из-за наличия в порах продуктивных коллекторов жидкости создаются условия для распространения генерируемых и отраженных волн, оказывающие воздействие на поверхности пор и каналов, уплотняя или разрыхляя их. Ударные волны соддействуют и очистке призабойной зоны от механических примесей при промывании скважин. В то же время ударные волны оказывают влияние на свойства нефти, которая находится в пласте, уменьшая ее вязкость и сцепление со стенками поровых каналов и, эти облегчая ее движение к забою скважины.

Прием вибровоздействия часто применяется в комплексе с кислотной обработкой пласта. При наличии переменного давления, которое возникает при работе гидроударника, возникает более интенсивное проникновение кислоты в пласт и значительно увеличивается эффективность кислотных обработок.

Процесс распространения волн давления при вибровоздействии по пласту можно описать уравнениями 4, 5 и рисунком 3:

где a2 = D/m; m-коэффициент пористости; D - коэффициент диффузии; u -величина волны давления; щ - частота пульсации волн.

Рисунок 3. Графики распространения виброударных волн в пористой среде для различных импульсов давлений: 1 - ?Р = 1,0 МПа; 2 - ?Р =2,0 МПа; 3 - ?Р = 3,0 МПа.

Учитывая начальные и дополнительные условия, и преобразовывая некоторым образом, получаем общее решение уравнения (4)

Отсюда следует, что решение (5) уравнения (4) делает возможным оценку величину волны давления при вибровоздействии на разных точках удаления от призабойной зоны, используя виброволновую машину. Данные на рисунке кривые были получены с учетом технических и технологических характеристик генератора виброволн.

Сделаем промежуточные выводы:

· Виброударные волны при вибровоздействии затухают на первой же длине волны (рис 3).

· Показано, что чем больше импульс давления при вибровоздействии, тем больший объем призабойной зоны пласта подвергнется вибровоздействию.

· Скорость распространения ударных волн зависит не только от степени насыщенности пористой среды жидкостью, но и от вида и свойства данных жидкостей.

Теперь рассмотрим процессы воздействия упругими колебаниями на ПЗП с целью увеличения производительности нефтяных скважин, используя понятия градиентов давления. Градиенты давления в ПЗП создаются скважинными или наземными гидравлическими генераторами упругих колебаний.

Анализ процессов воздействий с помощью упругих колебаний на ПЗП с использованием понятия градиента давления возможен, ведь рассматриваемые процессы проходят в скважине либо в зонах пласта с линейными размерами, не превышающими длин волн упругих колебаний, частота которых варьируется от единиц до нескольких тысяч Герц.

В проведенном исследовании рассматривается импульсный режим работы гидравлического генератора, когда в жидкой среде скважины воспроизводятся импульсы давления.

Гидроимпульсы давления, которые действуют с высчитанной частотой повторения на слоистую среду (вода-сталь-цемент-пласт), окружающую скважину, вызывают в пласте волновые пакеты упругих затухающих колебаний с определённой длительностью.

Параметры волновых пакетов, такие как максимальная амплитуда колебаний в пакете и длительность пакета, можно определить как акустическими характеристиками пласта (это добротность, скорость распространения и коэффициент поглощения упругих колебаний, акустическое сопротивление), так и параметрами последовательности гидроимпульсов давления (это амплитуда, частота повторения импульсов). При повышении частоты повторения пакетов скважность последовательности пакетов, то есть отношение периода повторения к длительности пакета, будет убывать.

Исследования в результате демонстрируют, что при влиянии на песчаник механических импульсов давления интенсивностью 90 Вт/см2 в пласте возникают волновые пакеты, в спектральном разложении которых превалируют гармоничные составляющие в диапазоне частот 20 - 1000 Герц, а длительность пакетов в среднем составляет 0,1 секунду. Отсюда следует, что при частоте повторения пакетов 10Герц, скважность данной последовательности пакетов станет равна единице.

Опираясь на приведенные в исследовании значения спектров частот, скоростей акустических волн в средах скважинного пространства и продуктивного пласта, длин акустических волн в этих средах, характерных геометрических размеров сред, в которых нам интересно воздействие упругих колебаний на пласт, возможно использование неволновых методов анализа, основанных на понятии градиента давления :



где - перепад давления между двумя единичными площадками среды (изотропного и однородного в принятом направлении), удаленными друг от друга на расстоянии .

Как уже говорилось, в период эксплуатации скважины, при проведении фильтрации и поступлении в ПЗП разного типа кольматирующих частиц, пластовый флюид преобразуется в ПЗП в коллоидно-дисперсную структуру, которая является неньютоновской жидкостью. Она создает существенное гидравлическое сопротивление при движении флюида, а это порождает падение дебита скважины. Для начала движения неньютоновской жидкости в порах пласта предельный градиент давления оценивается как:

где: ф0 - предельное напряжение сдвига, соответствующее минимальному перепаду статического давления, которое вызывает разрушение пространственной сетки КДС; Кпр - коэффициент проницаемости пласта.

Учтем, что давление изменяется во времени и данное изменение, как и фронт давления распространяется по среде со скоростью Сn распространения акустических волн в данной среде. За время ?t фронт давления упругой волны ?p пройдет расстояние ?l со скоростью Сn, следовательно получим:

может определяться физическими параметрами среды. скорость изменения давления во времени. Как известно из теории гармонического анализа, чем короче фронты импульсных процессов, тем больше амплитуды высших гармонических составляющих на которые раскладываются импульсные процессы. Следовательно, с учетом (8) можно получить те же градиенты давлений, как при высокочастотных действиях, так и при низкочастотных, но при этом довольно больших по амплитуде, то есть по перепадам давлений.

Как было сказано выше - малопроницаемая зона продуктивного пласта, окружающая перфорированную зону скважины, вызвана образованием в пласте КДС, представляющей собой "пробку" с толщиной стенки не более 1,5 - 2,0 метров. С такими геометрическими размерами "пробки" коэффициент прохождения упругой энергии находится на уровне 0,6.

Из-за этого в ближней зоне пласта на расстоянии от стенки скважины, не превышающем несколько метров, формы акустических импульсов давления, или волновых пакетов, образующиеся при воздействии на пласт гидроимпульсами давления, меняются мало мало.

Создавая по всей толщине "пробки" КДС крутизну переднего фронта волнового пакета , которой достаточно для создания , вызывающего разрушение структуры КДС, неньютоновская жидкость в ПЗП делается более текучей и может быть вытеснена в скважинное пространство. Вытеснение разрушенной структуры КДС из пласта необходимо, так как она обладает способностью самовосстанавления. С такой точки зрения уместно сочетать импульсные АД с совместной депрессией на пласт.

Учитывая выше приведенное, можно сделать вывод, что анализ процессов механических воздействий на ПЗП с привлечением понятий градиентов давления помогает провести связь между физико-механическими характеристиками системы пласт-коллектор. Пласт-коллектор представляет собой пластовый флюид с необходимыми значениями градиентов давления в пласте, которые создаются для изменения характеристик указанной системы.

В самом деле, выражение (7) определяет значение градиента давления, которое необходимо, чтобы изменить физико-механические характеристики системы пласт-флюид. Если знать радиус зоны с изменённой проницаемостью и градиент давления, действующий в этой зоне, возможно определить технические параметры скважинного генератора импульсов давления для конкретных скважин.

Чтобы обеспечить действия градиента давления по всей длине радиуса зоны с изменённой проницаемостью значение , которое рассчитывается, должно быть больше фактического значения радиуса зоны с изменённой проницаемостью R. Значение зависит от амплитуды, продолжительности переднего фронта импульсов давления и от значения .

Значение , необходимое чтобы разорвать связи между коагулирующими частицами кольматанта, определяют с помощью выражения (7) для конкретного пласта, учитывая величину предельного напряжения сдвига пластового флюида ф0 и коэффициент проницаемости пласта . По выражению (8) амплитуду импульсов давления, которая необходима в пористой среде пласта, определяется из значения grad(p), которое установлено для и величины радиуса зоны с изменённой проницаемостью R. При первом приближении длительность переднего фронта волновых пакетов принимается, как время возрастания амплитуды колебаний в пакете от min до max значений, соответствующее переднему фронту гидроимпульсов давления, которые создаются гидрогенератором в скважинной среде с достаточной для практических расчетов точностью. Это предписывается потребностью в простом инженерном расчете параметров последовательности гидроимпульсов давления, которые действуют из скважины на пласт. Время нарастания давления в скважине, то есть длительность переднего фронта импульса давления, определяется с помощью быстродействующего электронного манометра.

Значение вычисляется по итогам гидродинамических исследований пласта, основываясь на стандартных методиках, а длительность переднего фронта импульса давления для конкретного импульсного генератора устанавливается не меньше отношение .

После импульсно-волнового воздействия возникает наилучшая для определенных геолого-технических условий депрессия на пласт с помощью стандартных технологий и оборудования для извлечения кольматанта из ПЗП.

Замедление в создании депрессии на пласт приводит к повторной коагуляции частиц кольматанта, то есть происходит самовосстановление коагуляционных структур, а это приводит к повторной блокировки ПЗП.

Из-за этого чтобы создать депрессии уместно использовать струйные насосы, позволяющие в больших пределах плавно менять забойное давление. Конструктивное сочетание гидравлического генератора импульсов давления и струйного насоса дает возможность эффективно очищать от кольматирующих веществ ПЗП. После импульсно-волнового воздействия на пласт, с помощью струйного насоса происходит выбор оптимального значения депрессии, при которой количество кольматирующих веществ в пробах жидкости, берущихся на выбросе циркуляционной системы через равные промежутки времени, минимально, а приток жидкости из пласта стабилен.

Воздействия, примененные к межскважинной зоне пласта

Влияний упругих колебаний на фильтрацию смесей нефти и воды в обводненом пласте, чтобы повысить извлечение нефти из пластов, исследуется уже давно. Целью этих исследований является изучение процессов влияния полей упругих колебаний сейсмических частот, которые создаются сильными наземными вибраторами, на нефтяные пласты со сформировавшимися застойными нефтяными зонами. Вибраторы устанавливают на месторождении в межскважинных зонах. Они создают на средней глубине залегания нефтяных пластов интенсивность упругих колебаний не более 10-6 Вт/см. Невзирая на небольшую интенсивность колебаний, произведенные промышленные итоги говорят о присутствии промышленного эффекта при вибросейсмических влияниях на пласты. В то же время замечено также отсутствие эффекта или отрицательный эффект при воздействии, которое указанно для определенных геолого-технических условий.

Убывание капиллярного сопротивления для нефти и изменение реологических характеристик нефтегазоводяного флюида при влиянии на пласт упругих колебаний замечается , когда значение интенсивности колебаний более 10-1 Вт/см2.

Чтобы изменить фильтрационные процессы в пласте ставятся следующие задачи, которые исследуют влияния упругих колебаний на МЗП:

· Выяснить, какова граница интенсивности колебаний, при которой совершаются изменения фильтрации в пласте;

· найти в терригенном коллекторе, основываясь на экспериментальных исследованиях, коэффициент поглощения волновых пакетов, которые создаются при ударной нагрузке пласта;

· дать теоретическое обоснование возможности формирования в пласте на расстоянии не более 100 метров интенсивности колебаний, которая необходима для изменения скорости фильтрации в пласте.

Приведенное расстояние взято, основываясь на среднем расстоянии метров и потребности установки на месторождении не менее 2-х гидравлических генераторов импульсов давления в нагнетательных скважинах, чтобы осуществлялось эффективное воздействии на застойные зоны нефти в МЗП.

Проводимые экспериментальные исследования по воздействию упругих колебаний на обводненную модель пласта со сформированной застойной зоной нефти осуществлялись с помощью влияния на пласт волновых пакетов с продолжительностью 10-1 секунд и частотой повторения 1 Герц. Как результат этих исследований было оценено качественное и количественное воздействие упругих колебаний на фильтрацию смесей нефти и воды в обводненном пласте с застойными нефтяными зонами. Итоги исследований говорят о том, что импульсно-волновое влияние на смесь нефти и воды при ее фильтрации в пористой среде влечет уменьшение капиллярного сопротивления для нефти в системе "нефть-вода" и в результате повышение извлечения нефти, при этом интенсивность колебаний в волновом пакете, при которой осуществляются изменения фильтрации в модели пласта, насчитывает 10-2 Вт/см2.

Когда чaстота повторения пакетов составляет 1 Герц и длительность его 10-1секунд, среднее значение интенсивности оценивается как

Вт/см2.

Экспериментaльные исследовaния, посвященные определению коэффициента поглощения волновых пакетов в терригенном коллекторе осуществлялись при ударной нагрузке пласта на мелинитовых отслоениях нефтяного месторождения.

Эти экспериментальные исследования продемонстрировали, что вполне возможно создать в мелинитовом пласте в поверхностных условиях упругих колебаний волнового пакета с интенсивностью 10-1Вт/см2 на расстоянии, не превышающем 73 метров от источника колебаний, когда интенсивность импульса давления в точке удaра составляет 90 Вт/см2.

Также с помощь эксперимента выяснено, что величина коэффициента поглощения волновых пакетов, образованных ударными воздействиями на пласт в поверхностных условиях в мелинитовых отслоениях нефтяных месторождений, составляет 0,047 м-1.

Проводились вспомогательные исследование на том же месторождении, для того чтобы более точно выяснить значение коэффициента поглощения разных спектральных компонентов волновых пакетов, которые продемонстрировали, что величина коэффициента поглощения для диапазона частот 50 - 80 Герц с самой большой интенсивностью колебаний составляет 0,055 м-1. Экспериментальные данные для поверхностных условий подтверждают это. Тогда для пластовых условий коэффициент можно принять равным 0,63 дБ. Принимая во внимание тот факт, что для частоты 50 Герц длина волны в терригенном коллекторе составляет 80 метров, коэффициент поглощения для данной частоты составит:

,

Были проведены теоретические исследования по следующим направлениям:

1. Подсчет интенсивности колебаний, которые создаются гидравлическим генератором в скважине, обязательной для получения в терригенном коллекторе интенсивности 10-2 Вт/см2(расстоянии от генератора должно быть не менее 100 метров;

2. Подсчет величин градиентов давления, создаваемых как результат движения волновых пакетов упругих колебаний в пластовой среде, и подсчет суммарного градиента давления, который необходим для изменения фильтрации в пласте.

Изучение акустических влияний на МЗП для увеличения извлечения нефти из пластов осуществлялись с использований понятий градиентов давления. Данные метод изучения выбран, исходя из того, что средние размеры участков нефтяного месторождения, находящихся в зоне работы скважинных генераторов, не больше длины волн упругих колебаний, которые создаются генераторами в МЗП.

Чтобы произвести расчет, были принято следующее:

· частота заполнения волнового пакета составляет 50 Герц (на рисунке 4 представлена гармоника из спектрального разложения волнового пакета с самой большой энергией колебаний);

· Тогда, если учесть, что период повторения импульсов равен длительности импульсов, то величина интенсивности волновых пакетов упругих колебаний будет равна среднему значению интенсивности .

· Принимая во внимание, что нижняя часть насосно-компрессорных труб совместно с гидравлическим генератором является линейным излучателем упругих колебаний существенной длины, стоит принять при первом приближении то, что приведенный излучатель создает цилиндрическую волну.

Рис. 4.Спектр волнового пакета упругих колебаний на расстоянии 50 метров от точки ударной нагрузки пласта, составленный в программе SpectraPLUS

· принимаемая длительность импульса = 10-1 секунд;

· Принимаемый период повторения импульсов = 10-1 секунд.

Из этого следует, что чтобы оценить интенсивность колебаний на входе в пласт, которая необходима, чтобы получить интенсивность равную 0,01 Вт/см2 на расстоянии 100 метров, возможно использование выражения для определения изменения интенсивности цилиндрической волны в зависимости от расстояния:

,

где , - значения интенсивности колебаний последовательности волновых пакетов на входе в пласт и на расстоянии 100 м от скважины, Вт/см2; - коэффициент поглощения для диапазона частот 50-80 Гц; x - расстояние между точками определения интенсивности волновых пакетов в пласте, м.

=1,221 Вт/см2.

Чтобы оценить интенсивность колебаний в скважине, которая необходима, чтобы создать на входе в пласт =1,221 Вт/см2, стоит воспользоваться следующими условиями:

1. Движение энергии упругих колебаний через систему, которая представлена как совокупность обсадной колонны или цементного кольца, является очень существенным, так как длины волн, которые создаются гидравлическим генератором в обсадной колонне и цементном кольце, намного превышают толщину слоев металла и цемента.

2. Из-за указанного выше часть обсадной колонны в зоне действия гидрогенератора представляет собой генератором упругих колебаний. Его акустическая нагрузка - это насыщенная пластовая среда (с учетом близости акустических характеристик цементного камня и пласта-песчаника).

Оценим интенсивность колебаний на входе в пласт на уровне, составляющем 0,6 от акустической мощности генератора.

Установлено, что, мощность, которая создается гидравлическими скважинными устройствами, можно определить по значениям перепада давления на устройстве, а также по количеству рабочей жидкости, которая проходит через устройство в единицу времени, используя:

,

где - мощность гидрогенератора, кВт; - перепад давлений, бар; - расход жидкости, которую требует гидравлическое устройство, л/мин; - коэффициент полезного действия устройства.

Наибольший перепад давления на гидрогенераторе типа ГКП-56, который был создан фирмой «Интекс», равен 4 МПа при расходе рабочей жидкости 340 л/мин. Отсюда следует, что гидравлическая мощность, которая создается генератором, равна 16 кВт. Коэффициент преобразования гидравлической энергии в акустическую энергию для генератора ГКП-56 равен 18,3%, следовательно, акустическая мощность генератора составляет 2,93 кВт. Внутренняя площадь перфорированной обсадной колонны в зоне с наибольшей интенсивностью колебаний, которые создаются генератором ГКП-56, равна 350 смІ . А интенсивность колебаний в скважине тогда составляет 8,37Вт/смІ . Интенсивность колебаний на входе в пласт, с учетом потерь акустической энергии при переходе из жидкой среды скважины в пласт, коэффициент прохождения акустической энергии составляет 0,6, принимается равной 5 Вт/смІ.

Приведенные расчеты свидетельствуют о том, что возможно создать в пласте на расстоянии 100 метров от скважинного гидрогенератора интенсивность упругих колебаний равную 0,01Вт/см2.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что воздействие на МЗП необходимо проводить на значительно меньших частотах, чем на ПЗП в связи с поглощением упругих колебаний в пористой среде пласта. Степень поглощения находится в зависимости от частоты колебаний, которые распространяются в пористой среде пласта. Используя программу SpectraPLUS 5.0, было произведено сравнение амплитуды спектральных компонентов волновых пакетов на разных расстояниях от точки ударной нагрузки пласта, и исходя из результатов было установлено, что в пласте-песчанике меньше всего поглощаются колебания сейсмического диапазона частот 1 - 80 Герц. При расстоянии, превышающем 2 метра, чтобы оценить физические явления в пористом пространстве пласта при движении упругих колебаний, нужно учесть поглощение спектральных высокочастотных компонентов волновых пакетов и постепенную трансформацию сложного волнового поля, которое создается волновыми пакетами в ПЗП в поле квазигармонических упругих колебаний с низкими частотами (рис. 5).

Рис. 5. Последовательность волновых пакетов упругих колебаний на расстоянии 50 м от точки ударной нагрузки пласта

Теперь нужно определить знакопеременный градиент давления, который создается в пласте из-за движения волновых пакетов упругих колебаний, среднее значение интенсивности которых = 0,01Вт/см2. Примем (учитывая и анализируя рис. 5), что фундаментальная энергетическая компонента волнового пакета сосредоточилась в гармонике 50 Герц.

Так как мы знаем связь интенсивности с амплитудой переменного давления , мы можем найти градиент давления, образующийся при движении упругой волны:

где - амплитуда переменного звукового давления, Па; - градиент давления, создаваемый из-за движения волновых пакетов упругих колебаний, Па/м; - средняя плотность насыщенной горной породы, кг/м3; - скорость распространения продольной упругой волны, м/с; - длина упругой волны, м; - частота, Гц.

Считая, что средняя плотность насыщенной горной породы составляет =2450 кг/м3, а скорость распространения продольной упругой волны в скелете породы равна =4000 м/с, мы можем получить значение для гармоники 50 Герц:

Па/м.

Оценим существующий в пласте градиент давления, если отсутствует волновое воздействие на пласт. Перепад пластового и забойного давлений будем считать равным =5 МПа, а расстояние от скважины до контура питания примем =1000 м.

Тогда Па/м.

Знакопеременные градиенты давления, и в фазе расширения, и в фазе сжатия служат источником уменьшения вязкости пластового флюида, а это означает снижение предельного градиента давления, который необходим, чтобы преодолеть динамическое напряжение сдвига ф0.

Итак, при первом приближении, чтобы оценить суммарный градиент давления, создаваемого в пласте при движении волнового пакета, необходимо просуммировать значения знакопеременного градиента давления и существующего в пласте градиента. То есть:

кПа/м.

Исходя из этого, суммарное действие существующего градиента давления и градиента давления, который создается в пласте из-за движения упругой волны, делает возможным преодоление предельного градиента давления и введение в разработку значительной части малоподвижных зон нефти, которые образуются в пластах при уменьшении пластового давления.

Результатом прохождения волновых пакетов упругих колебаний, среднее значение интенсивности которых составляет , является наблюдение в пластовых условиях зон сжатия и растяжения, переменного давления, возникающее там, можно оценить по с помощью известного уравнения:

где - амплитуда переменного давления, Па; - средняя интенсивность упругих колебаний, Вт/м2; - скорость распространения продольной упругой волны,м/с; - средняя плотность насыщенной горной породы, кг/м3.

Преодоление капиллярных сил, которые образованны на границе фаз нефть-вода становится возможным если выполняется неравенство .

Значение амплитуды переменного давления можно оценить как:

Па;

Учитывая, что среднее значение радиуса пор равно =10 мкм, а поверхностное натяжение на границе раздела нефть-вода = 27 мН/м, можно получить оценку капиллярного давления:

Па;

где - , Па; - поверхностное натяжение на границе раздела нефть-вода, ; - .

Расчеты демонстрируют, что переменное давление, которое создается при движении волновых пакетов, позволяет преодолеть капиллярное давление, а также внедрять в разработку омытые пластовой водой нефтяные зоны.

Таким образом, воздействовать на МЗП стоит с помощью гидравлических генераторов, частота повторения импульсов давления которых составляет от 1 до 50 Герц, так как при расстояниях, превышающих 2 метра от оси скважины, основными частотами упругих колебаний, которые меньше всего поглощаются пластом, являются колебания, находящиеся в диапазоне частот от 1 до 50 Герц. Интенсивность колебаний на входе в пласт должна быть больше 1,2 Вт/см2, чтобы создать в пласте условия изменения процессов фильтрации при расстояния, которые не должны быть меньше 100 метров от скважинного генератора. Исходя из расчетов, интенсивность будет больше 1.2 Вт/см2, если перепад давления на гидрогенераторе равен 4 Мпа, а расход рабочей жидкости составляет 340 л/мин.

Перспективы использования виброволнового воздействия при разработке месторождений нефти.

Технологические приемы, основанные на традиционных методах и представлениях к осуществлению воздействия на продуктивный пласт или залежь, предназначены для решения локальных проблем повышения продуктивности скважин и не в состоянии обеспечить резкое повышение эффективности добычи нефти из недр. Поэтому для реализации иного технологического уровня все аспекты должны рассматриваться в качестве активно взаимодействующих факторов.

Новые методы и приемы осуществления виброволнового воздействия находятся сейчас на стадии исследования, но именно по ним можно, используя имеющиеся технические средства, уже в ближайшее время можно получить весьма весомую отдачу. Результаты применения отдельных методов, например вибросейсмического воздействия, известно уже давно, однако их эффективное и рентабельное применение при разработке месторождений требует как создания соответствующей геолого-промысловой обстановки, так и проведения определённых целевых исследований и прогнозных расчетов.

После обработок по виброволновой технологии очагов заводнения участков пласта происходит не только увеличение приемистости скважин, но и повышается охват пласта по толщине. Происходит подключение к работе новых пропластков, не освоенных после бурения или загрязненных в ходе эксплуатации, а также улучшаются общие характеристики заводнения участков. При надлежащем выборе объекта воздействия наблюдается весьма длительный эффект виброволнового воздействия, заключающийся в увеличении дебитов по нефти реагирующих добывающих скважин. Проведение виброволновых обработок очаговых нагнетательных скважин или группы скважин участков способно давать весомый экономический эффект. колебание пласт виброволновой месторождение

При осуществлении обработок скважин перспективно использование современного технологического оборудования - шибких труб для монтажных операций и подачи рабочих агентов. Применение подобного оборудования позволяет существенно упрощать и ускорять спускоподъемные операции в скважинах, повышать рентабельность обработок. Кроме того, появляется возможность непрерывно перемещать установленный на гибкой трубе генератор вдоль обрабатываемого интервала и, тем самым, эффективно и в минимальные сроки обрабатывать пласты и зональные участки большой толщины, а также протяженные участки горизонтальных скважин, вторых стволов действующих скважин.

Способность генерировать достаточно мощные колебания при пониженных напорах жидкости и высокий моторесурс позволяют осуществлять виброволновое воздействие не только в режиме разовых обработок, но и в режиме длительной закачки воды и других агентов в скважины. Такой метод химического воздействия на пласт позволяет инициировать процессы физико-химического воздействия на пласт, в особенности применительно к низкопроницаемым неоднородным пластам. В поле упругих низкочастотных колебаний снижается вязкость флюидов, повышаются их фильтрационная способность и охват пласта реагентным воздействием. Виброволновое воздействие включает фильтрацию физико-химического агента в низкопроницаемый пласт, способствует в режиме закачки резкому повышению эффективности физико-химического воздействия и коэффициента нефтеотдачи пластов.

Максимальный эффект от применения длительных виброволновых закачек можно получать при детальном реологическом и проектно-техническом учете особенностей участка залежи, выборе оптимального расположения объектов воздействия и их рационального количества.

Помимо воздействия на нагнетательные скважины, существует скважинное техническое устройство, позволяющее осуществлять виброволновое воздействие и непосредственно на эксплуатационные скважины как в режиме разовых обработок, так и при длительной добычи нефти. В комплексе с виброволновым воздействием создается регулируемая депрессия на пласт, инициирующая процесс фильтрационной очистки. При длительной работе установка обладает свойствами авторегуляции - при падении дебита скважины и снижении давления на забое скважины циклически включается виброволновое воздействие, которое затем выключается при восстановлении фильтрации из пласта.

Вибросейсмическое воздействие на истощенные залежи в целях извлечения остаточной нефти может осуществляться с поверхности земли при относительно неглубоком залегании нефтеносных пластов или же непосредственно через скважины с использованием специальных волноводов, передающих энергию мощных сейсмических источников с поверхности к продуктивному пласту через скважины. Промышленное применение данного метода требует приобретения специальной техники и проведения достаточно объемных монтажных работ, поэтому в целях достижения высокого технико-экономического эффекта технологические проектные схемы внедрения должны включать прогнозные показатели эффекта, учитывающие предполагаемый охват участка воздействием и физические механизмы дополнительного извлечения нефти в конкретной геолого-физической обстановке обрабатываемой залежи.

Серьезные перспективы имеет использование упругих колебаний в сочетании с термическим воздействием в процессах сбора и подготовки нефти, воды, различных процессах преобразования углеводородного сырья.

Развитие научно-технического прогресса в нефтяной отрасли и в целом в горнодобывающей промышленности продолжается, несмотря на временные экономические трудности последнего времени. Метод виброволнового воздействия займет достойное место в ряду достижений науки, обеспечивающих восстановление и дальнейшее развитие нефтегазодобывающей промышленности страны.



Заключение

В ходе данной работы были изучены различные особенности применения виброволнового воздействия в разных геолого-промысловых условиях, исходя из его физической природы и воздействия упругих колебаний на многообразие явлений, которые протекают в продуктивном пласте. Перечислены основные критерии эффективности воздействия для увеличения производительности и реанимации скважин.

Была изучена теоретическая модель процесса декольматации ПЗП, которая описывает фильтрационные деформации пористой среды под действием упругих колебаний, также позволяющая качественно оценить, амплитудные и частотные параметры воздействия влияют на динамику процесса виброволновой очистки.

Рассматривались варианты повышения влияния упругих колебаний при их сочетании с физико-химическими воздействиями. Воздействия упругими колебаниями в сочетании с закачкой в пласт растворов химреагентов кратно увеличивает эффективность воздействия.

Рассматривались технологии, в которых применяются виброволновые воздействия: технологии виброволнового и депрессионно-химического воздействий, виброволнового и пенного воздействий для осуществления обработок скважин (также горизонтальных и вторых стволов действующих скважин) в условиях создания депрессий на пласт.

В ходе работы было установлено, что упругие колебания оказывают существенное воздействие на фильтрационные процессы фазового вытеснения, релаксационные явления, которые связанны со структурой флюидов и их взаимодействием с твердой фазой коллектора, а также явления декольматации пористых сред пластов. Наряду с этим есть связь между параметрами упругих колебаний и характеристиками продуктивных пластов, были выявлены закономерности фильтрационных явлений и процессов декольматации в пористых средах при воздействии упругими колебаниями.

Было установлено, что эффективная глубина виброволнового воздействия на ПЗП способна достигать 10 метров и более. Глубина эффективного воздействия существенно возрастает, если осуществляется виброволновое воздействие с учетом резонансных и волноводных свойств скважинных и пластовых систем.

Итак, разумеется, необходимо развивать виброволновые методы воздействия на пласт, ведь они очень перспективны и продуктивны, однако сделать нужно еще немало. Например, на очагах нагнетательных скважин следует осуществить длительные режимы виброволнового воздействия в процессе разработки, где применяются нагнетательные и добывающие скважины, усовершенствовать и рационализировать использование вибросейсмического влияния на пласты, чтобы повысить отдачу нефти.



Список литературы

1. Афанасьев Е.Ф., Грдзелова К.Л., Плющев Д.В. Об источниках генерации звука в насыщенных флюидом пористых средах // Докл. АН СССР. 1987. №3. С. 554 - 557.

2. Ахметшин Э.А., Нургалеев Р.М., Мавлютов М.Р., Фазлутдинов К.С. Опыт применения вибровоздействия на призабойную зону скважин// НТС. Текущая информ. Сер. Нефтепромысловое дело - 1970.- Вып.8

3. Дыбленко В.П. Волновые методы воздействия на нефтяные пласты с трудноизвлекаемыми запасами. Обзор и классификация. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2008. 80 с.

4. Дыбленко В.П., Камалов Р.Н., Шарифуллин Р.Я., Туфанов И.А. Повышение продуктивности и реанимация скважин с применением виброволнового воздействия. -- М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. -- 381 с: ил.

5. Крутин В.Н. Механизм акустической интенсификации притоков нефти из продуктивных пластов // Каротажник. 1998. Вып. 42. С. 46 - 53

6. Кузнецов О.Л, Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. М.: Недра, 1983. 286 с.

7. Куштанова Г.Г. Волновые и импульсные методы исследования пластов и скважин. Учебно-методическое пособие для магистрантов физического факультета по направлению «Радиофизические методы по областям применения»/ Г.Г. Куштанова.? Казань: Изд-во Казан.(Приволж.) федер. ун- та, 2010, 59 с.

8. Марфин Е.А., Овчинников М.Н. Упругие волны в насыщенных пористых средах: учебно-методическое пособие. - Казань: Казанский университет, 2012. - 28 с.

9. Попов А.А. Ударное воздействие на призабойную зону скважин.- М.: Недра, 1990.-157 с.

Размещено на Allbest.ru

...