Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проницаемость призабойной зоны скважины и методы изменения ее состояния 10
1.1. Причины ухудшения проницаемости призабойной зоны пласта 10
1.2. Волновые технологии воздействия на фильтрационные свойства пластов -----15
1.3. Влияние импульсно-волнового воздействия на фильтрацию нефти в пласте - 24
1.4. Анализ средств для проведения волнового и ударного воздействия наПЗП - —- 29
Глава 2. Нестационарное течение флюида как основа технологии улучшения фильтрации в призабойной зоне пласта - 37
2.1. Гидравлика неустановившегося течения жидкости в скважине 37
2.2. Неустановившееся движение флюида в скважине 43
2.3. Влияние изменения поверхностного давления на колебания флюида в скважине - 53
Глава 3. Термодинамика свободного воздушного объема при ударно-волновом воздействии на пласт 60
3.1. Основные тождества термодинамики переменной массы 60
3.2. Термодинамика свободного пространства 66
Глава 4. Конструкции устройств для воздействия на призабоиную зону пласта с поверхности и результаты их применения - -70
4.1. Устройство создания ударных волн от устья скважины разрядом сжатого воздуха 70
4.2. Устройство создания ударных волн от устья за счет давления скважинного флюида - 75
4.3. Устройство создания ударных волн от устья скважины с использованием источника низкого давления 78
4.4. Устройство для создания ударных волн разрежения от устья скважины - - 80
4.5. Пути совершенствования и дальнейшие перспективы применения технологии ударно-волнового воздействия 86
Общие выводы и рекомендации 92
Литература
- Волновые технологии воздействия на фильтрационные свойства пластов
- Анализ средств для проведения волнового и ударного воздействия наПЗП
- Неустановившееся движение флюида в скважине
- Устройство создания ударных волн от устья скважины с использованием источника низкого давления
Волновые технологии воздействия на фильтрационные свойства пластов
В Китае испытания были направлены на изучение влияния вибрации на образцы породы в процессе заводнения [112, 114, 115]. Смачиваемость нефте-насыщенного керна может быть увеличена с помощью звуковых колебаний, благодаря чему возрастает извлечение нефти во время заводнения [116]. Теоретическая попытка создать совместимую модель распространения волн в пористых средах с искусственной вибрацией представлена Ван Феем и др. [121]. Подтверждения эта модель не получила [38].
В Канаде достигли успеха увеличения выхода нефти методом пульсации давления. Исследования Спаноса, Дюссо и др. были проведены, чтобы объяснить теорию расширения потока при пульсации давления [113, 120]. Они ввели концепцию диффузии пористости, вызванной высокоамплитудными волнами сжатия. Они рассмотрели модель пористых сред Био-Гауссмана и их производные - модели пористых сред Де ла Круза-Спаноса, полагая пористость динамической переменной.
Питером М. Робертсом в Национальной лаборатории Лос-Аламоса был инициирован совместный промышленный проект изучения основных принципов вибрационного воздействия. В настоящее время выполняется проект «Сейсмическая интенсификация для увеличения добычи из нефтяных месторождений» [119].
Результаты испытаний показывают, что возбуждение частотой 100 Гц и менее могло сильно влиять на двухфазное движение флюидов как при установившемся режиме, так и в условиях смоделированного заводнения. Результаты указывают, что изменившаяся смачиваемость может стать доминирующим механизмом, определяющим интенсификацию добычи нефти.
Сотрудница Стэнфордского университета Ян Пэн разработала пять моделей потока, которые включают и закон Дарси и теорию Био как частные случаи. Не исследуя непосредственно вибрационное воздействие на пласт она пришла к выводу, что «упругая деформация твердых пород оказывает положительное влияние на движение флюидов в пористых средах, если частотный спектр возмущающего сигнала находится в пределах определенного диапазона. Добычу нефти можно интенсифицировать применяя гармоническое возмущение оптимальных частот при совместимых условиях [118].
Согласно некоторым теориям предполагается, что сокращение поверхностного натяжения, вызванное перепадом скорости между структурой породы и норовой жидкостью - фундаментальный источник увеличенной проницаемости. Так как жидкость может передавать только волны сжатия, перепад скорости, вызванный в норовом пространстве волнами сжатия, будет меньше перепада, который был бы вызван поперечными волнами той же самой величины. Кроме того волны сжатия и поперечные волны распространяются с разными скоростями и периодически их сила векторно суммируется [117].
Оптимальной частотой для интенсификации притока считается естественная или резонансная частота [111]. Есть мнение, что оптимальная частота для конкретной горной породы связана с размером норовых отверстий и гранул.
Лабораторные испытания в Лос-Аламосской лаборатории продемонстрировали различное влияние вибрации на поток многофазных жидкостей сквозь пористые среды с целью определения на какие именно параметры скважинного флюида и горной породы воздействуют упругие колебания. Учитывая сообщения с 20% увеличении дебитов необходимо проводить дальнейшее исследование влияния вибрации на суммарную добычу [119].
В результате исследований установлено, что в большинстве скважин после вибровоздействия наблюдается быстрый рост дебита и приемистости скважин и последующее их снижение в течение 6-8 месяцев, в других скважинах дебит и приемистость растут медленно в течение 5-8 месяцев, а затем быстро снижаются до первоначальных уровней, в отдельных скважинах закономерности в динамике дебита и приемистости отсутствовали. В лабораторных исследованиях на моделях СМ. Радиевым установлено, что под воздействием вибраций нефть лучше вытесняется водой, при этом с ростом вязкости наблюдается увеличение вытеснения нефти.
Выполненные теоретические исследования распространения ударных волн в пористых средах, насьщенных жидкостью, свидетельствуют о том, что при малом фильтрационном сопротивлении пористой среды жидкость смещается относительно скелета, но диссипация энергии волны невелика. При росте фильтрационного сопротивления среды растут и потери, однако, начиная с некоторого значения дальнейшее увеличение фильтрационного сопротивления приводит к снижению интенсивности смещений жидкости относительно скелета и уменьшению потерь энергии волны.
В промышленности применяются технологии, основанные на возбуждении колебаний акустического и ультразвукового диапазонов с помощью глубинных генераторов и передаче в пласт упруговолнового поля через жидкость, заполняющую скважины [14]: - ультразвуковое акустическое вибровоздействие, реализуемое с помощью ультразвукового генератора и пьезокерамического излучателя; - реагентно-волновое воздействие, выполняемое с помощью струйного насоса и закачки в пласт реагентов и использованием специальных устройств, формирующих гидроудары; - гидроакустическое воздействие, основанное на возбуждении в призабойной зоне пласта гидроакустического и депрессионного воздействия с помощью специального генератора, работающего от прокачиваемой через него жидкости;
Анализ средств для проведения волнового и ударного воздействия наПЗП
Образующаяся корка из дисперсных частиц флюида имеет низкую прочность и может быть легко смыта скважинным флюидом. Но, устойчивость породы достигается за счет арочного эффекта, и находящаяся на ней глинистая корка выдерживает большие перепады давления при создании депрессии на пласт [17].
На рис. 1.4 приведен случай образования корки из дисперсной фазы на стенке скважины в случае породы с лиофильно-возбуждаемой поверхностью. Движущимся под действием сил поверхностного натяжения лиофильно-возбуждаемой поверхности флюидом из корки полностью удаляется вода, корка превращается в камень. После механического удаления корки с поверхности каналов можно ожидать значительного преобразования свойств поверхности минералов и проницаемости породы. Разрушение для последующего смыва корки и адсорбционных отложений возможно производить ударной волной [30].
Нефтяные пласты-коллекторы имеют пористость и проницаемость благодаря наличию таких свойств у поверхности минералов, как способность при малейшем сдвиге флюида относительно твердой поверхности переходить в лиофильно- или лиофобно-возбужденное состояние. ления на поверхности приводит к колебаниям абсолютного давления в любом сечении столба, возбуждаемым со смещением по времени. Изменение скорости по высоте столба связано с изменением динамической добавки давления тождеством: aU=-(pa)-l5p ді ч" Эх Для скважины конечной глубины решение получается как суперпозиция прямой и отраженной волны давления. Эти решения могут быть построены в предположении, что поверхность дна скважины жесткая. Тогда при отражении от дна волна давления и волна разряжения не изменяют моды.
В некотором смысле интересен случай распространения нелинейной волны давления. Пусть поверхность х = О совершает гармонические колебания по закону u = u0sincot. Тогда скорость движения частиц флюида имеет вид «бегущей волны»: u(x,t) = u0sina(t- Х Л V u + a; Пусть a » u. Тогда решение совпадает с акустической бегущей волной. Координата (лагранжева) частиц подсчитывается по формуле: х = (и + а) Гt- —sin-1—Л Сечение, подозрительное на образование сильного разрыва скорости: т.е.: t_irrcsin_u__u+a со и0 и0со l1- - = 55 Например, пусть и = 0. Тогда разрывы узлов скорости происходят в момент времени t на расстоянии от свободной поверхно сои0 сои0 сти. Пусть, формально, х = h, иначе, разрыв скорости происходит на дне скважины. Тогда для частоты колебаний свободной поверхности получим: а со = Uoh Например, пусть а = 1000 м/с, h = 2000 м, u0 = 10 м/с; тогда круговая частота колебаний свободной поверхности флюида составит со = 50 с"1, т.е. порядка 8 Гц. В этом случае на дне скважины образуется ударная волна, провоцирующая рост давления. Получение ударной волны «раскачкой» свободной поверхности технически достигается колебаниями давления на свободной поверхности. Действительно, уравнения Жуковского показывают, что для любой точки столба флюида изменение давления провоцирует изменение скорости флюида. Ограничимся линейным приближением Жуковского и условием не взаимодействия волн в газовой динамике столба флюида с показателем адиабаты к = 3.
Анализ частных решений уравнений Жуковского показывает, что достижение неограниченных (теоретически) значений давления достигается, если частота синусоидального изменения давления пропорциональна a(2n+l)7r/h, причем, поскольку столб флюида, как непрерывная система, имеет счетный спектр количество резонансов счетное. Например пусть а = 1000 м/с, h = 2000 м. Тогда первая (наименьшая) резонансная частота составит примерно 1,57 с" , ударной волне соответствует п = 3.
Имплозионное воздействие на пласт принципиально эффективнее создавать с помощью неустановившегося движения столба флюида в скважине. За счет этого удается изменять не только величину, но и знак давления, не только величину, но и знак градиента на перфорации скважины. Этот эффект важен для получения депрессии на трещиноватых нефтяных пластах. Не исключая общности, будем считать, что граничные условия для давления имеют вид: рМ.р;(т)=ФМ=0,р;(т)_ нестационарная добавка давления на дне скважины, PiМ-РОU ІЬ ОМ нестационарная добавка давления на свободной поверхности. Тогда, для распределения пульсационной добавки давления по скважине справедливо выражение: p Й,т) = -2X(-і)тсоs (і + 2m))сісор0(со-і)sІп( (і + 2тХт-со))5(21) m 0 о показывающее, что в случае скважины конечной глубины отраженная волна также участвует в формировании поля давления. Если свободная поверхность покрыта днищем поршня, то мягкое граничное условие на поверхности флюида сменяется таким:
Выражения (21) и (22) при постоянном значении поверхностного давления приводят к закону Паскаля, Используя (21) и (22), можно указать такие зависимости для изменения давления на поверхности, которые приводят к экстремальным изменениям давления, Например, пусть в (22): Ро(т-1)-РоСО = 0 Это означает, что давление на поверхности изменяется периодически, с временным периодом 9 . Тогда, в силу (22): синус Дирихле. Как явствует из приводимых зависимостей, при любом ударном (разрывном) законе изменения давления в сечении х = О, давление в сечении х О также не является непрерывной функцией времени.
Особый интерес, в связи с применением пневматического или дизельного копра приобретает периодический непрерывный закон изменения давления на поверхности флюида.
Неустановившееся движение флюида в скважине
Просто решается задача о конечном давлении в системе баллон - свободное пространство. Масса воздуха в баллоне и в свободном пространстве соответственно составит: m PoVo m=PiV 0 RTo RTo Считается, что температура воздуха в баллоне и в свободном пространстве одинаковая. Пусть температура воздуха в конечном состоянии Тк, давление - рк, причем, в силу уравнения состояния Клапейрона: Pk(Vo + V) = (mo + m)RTk. Далее, порознь, для изохорного изменения состояния в баллоне и в свободном пространстве, справедливы тождества: pn Tnmn p. Tnm — = -EIL = —»— m +mk =m + m0 Pk Tkm0k pk Tkm, ok Здесь Шок, Шк - массы газа в баллоне и в свободном пространстве в конце процесса опорожнения баллона, причем Шк m0ок m mkк Итак, имееем 4 искомые величины (pk, Тк, Шок, тк) и 4 уравнения (состояния Клапейрона, два уравнения изохорного процесса с переменной массой газа и уравнение массового баланса). Задача замкнута.
Рассмотрим теперь задачу о динамике изменения давления в свободном пространстве при опорожнении баллона и о вычислении времени его опо 63 рожнения. Имеем, прежде всего, уравнение неразрывности (сплошности) в виде: dm + dm0=О,dm О,dm О и уравнение истечения из баллона в виде зависимости Сен-Венана (следствие из первого начала для адиабатного потока, не совершающего внешней рабо ты):
При этом po(t) ро(0), р(0) p(t). Но, в силу характеристического уравнения Клапейрона: dm =dfPoVoVvfdpo PodTol m [RT0J RvT0 T02 J a давление в свободном пространстве в первом приближении считается постоянным. Пусть, кроме того, процесс изменения состояния газа в баллоне протекает по политропе с показателем п: причем константа связывает начальное состояние газа в баллоне с любым промежуточным состоянием: T0"(t 0)_T0n(t = 0) RT»(0)np"(t) Подстановка этого термодинамического тождества в формулу Сен-Венана приводит к такому дифференциальному тождеству:
Формула (3.3), несмотря на известность задачи об опорожнении баллона, до сих пор нигде не публиковалась; похожая задача рассмотрена в лекциях по газодинамике К. И. Страховича [97] и в работе [106].
Легко проверяется, что решение (3.3), по существу, представляет безразмерное критериальное соотношение; по терминологии Я.И. Зельдовича [36], обнаружена автомодельность второго рода. Действительно, слева стоит отношение масс, справа - некоторая функция от отношения давлений воздуха в баллоне, текущего ро к начальному Р0. Обозначив:
Оценим величину смещения свободной поверхности флюида. Техническая работа, совершаемая потоком сжатого воздуха, истекающим из баллона в воздушное пространство над флюидом ,
Здесь Ef- модуль объемной упругости флюида (примерно 20000 бар). Отсюда для смещения свободной поверхности флюида находим:
Можно показать, что при начальном давлении в баллоне 80 бар, объеме баллона 50 л, площади сечения НКТ 30 см2, высоте столба флюида 2000 м, смещение свободной поверхности составляет (примерно) 15,3 м. При этом скорость движения свободной поверхности 5,3м/с, А_ Аа Т 2h т.е., во всяком случае, свободная поверхность движется значительнее медленнее, чем перемещается ударная волна давления и волна разряжения. Неоднородности давления в воздушном пространстве НКТ при таком значении скорости «убегания» свободной поверхности не может возникнуть.
Поэтому термодинамическая схема расчета параметров состояния воздуха в пространстве над флюидом достаточна для понимания и расчета процессов имплозионного воздействия.
Пусть в момент времени t = О происходит подключение баллона объема Vo, заполненного сжатым воздухом с давлением ро, к свободному пространству НКТ над флюидом. Величина свободного объема V, давление (начальное) Pi«р0- Требуется найти: - время, за которое давление в свободном пространстве достигнет некоторого стационарного значения и значение этого давления; - мгновенное распределение давления по свободному пространству; - закон движения свободной поверхности флюида, в частности, ее скорость u0(t). Известны: закон изменения площади клапана, соединяющего баллон и свободное пространство \if = F(t), условие баротропности (адиабатический процесс) и физические постоянные воздуха.
Математическая стилизация задачи может производиться по двум схемам, условно говоря, термодинамической и волновой. Термодинамическая схема исходит из того, что давление в воздушном пространстве над свободной поверхностью флюида давление выравнивается мгновенно: добавление бесконечно - малой порции воздуха приводит к некоторому увеличению (изменению) давления по всему объему сразу же.
Газодинамическая схема формулируется так. Пусть некоторая порция газа покинула баллон. Тогда воздушное пространство над флюидом разделяется на два подмножества. Вблизи баллона находится сжатый воздух, зани мающий протяженность Ах - ю, ю _ площадь поперечного сечения НКТ над флюидом, ро - плотность воздуха в баллоне. Сжатый (возмущенный) воздух отделен от невозмущенной части воздуха фронтом, на котором плотность и давление воздуха претерпевают скачок или разрыв. Вниз, к свободной поверхности флюида, побежит ударная волна. Плотность и давление воздуха на фронте (ударной волны) связаны тождествами: Др-=Ро-Р = - Av Ai = vm Ар, Ае = -p Av, причем индексом m обозначены средние значения термодинамических параметров до и после фронта волны, v = 1/р - удельный объем воздуха. Пусть А означает бесконечно малое изменение. Тогда формулы Гюгонио превраща 68 ются в уравнения термодинамического приближения и изображают условия изоэнтропического изменения состояния без подвода теплоты. «Сжатая» порция воздуха Перемещение свободной поверхности флюида Рис,3 Л. Движение отраженных воздушных волн. Ударная волна, продвигаясь со скоростью U = достигает свободной поверхности флюида. Отражаясь от свободной поверхности флюида, волна возвращается вверх и взаимодействует с прямой ударной волной, инициированной следующей порцией воздуха и т.д. Поскольку столб флюида не может уйти «слишком далеко» от первоначального своего положения, то волна разряжения, отразившись от баллона, догонит флюид вблизи первоначального равновесного положения и при взаимодействии с отраженной ударной волной выровняет давление. По сути дела, установится термодинамически равновесное состояние. Если же масса флюида мала и импульс, переданный свободной поверхности флюида первой ударной волной, способен разогнать флюид до большой скорости, то волна разряжения не догонит свободную поверхность и внутри воздушного пространства установится неоднородное по высоте распределение давления. Его распад и обусловит равновесное состояние воздуха над свободной поверхностью флюида.
Устройство создания ударных волн от устья скважины с использованием источника низкого давления
В хорошо промытых зонах. На отдельных участках таких зон в скелете возникают очаги критической напряженности. Ударно-волновое воздействие на такие очаги способно привести к перестройке скелета, его консолидации и тампонированию промытых зон, что в свою очередь приведет к перераспределению потоков флюидов внутри пласта, освоению скважины и увеличению нефтеотдачи.
Практическое значение может иметь режим непрерывного ударно-волнового воздействия на фоне циклического заводнения, который охватывает все фазы заводнения и на каждой из них оказывает стимулирующее действие на процесс извлечения остаточной нефти. Кроме того, при непрерывном воздействии отпадает необходимость в периодических остановках и запусках возбуждающих скважин, а так же исключаются потери нефти из-за их простоя.
Большой интерес вызывает применение ударно-волновой технологии с целью ускорения естественных процессов переформирования углеводородных залежей за счет стимулирования гравитационной сегрегации флюидов. Эффект которой в упруго-волновом поле доказан многочисленными исследованиями [38, 41, 58].
Известные достоинства технологии описываемой технологии делают возможным и целесообразным её массовое применение в целях: стимулирования освоения нефтяных скважин; усиления и ускорения полезных естественных процессов, приводящих к увеличению конечной нефтеотдачи; повышения эффективности других методов освоения; ускоренного воспроизводства в недрах извлекаемых запасов углеводородов и др.
Исследования явлений и эффектов, сопровождающих процесс ударно-волнового воздействия на породы, а так же изучение их механизмов, только начаты и будут продолжены.
Технология ударно-волнового воздействия может успешно комплек-сировать практически со всеми, существующими на сегодняшний день методами освоения скважин, что является еще одним её важным достоинством. Заслуживает внимания исследование комплексного применения технологии ударно-волнового воздействия и методов заводнения с применением ПАВ, полимеров, щелочей и других агентов.
При производстве текущих и капитальных ремонтов скважин наиболее вероятен контакт пластовых флюидов (нефть, газ, пластовая вода) с окружающей средой (почва, вода, атмосфера). Ремонт скважины включает подъем колонны НКТ, свабирование, обработку кислотой и химреактивами, имеет продолжительность около 170 часов. При этом происходит загрязнение территории обваловки скважины нефтепродуктами, нефтешламом, бытовым мусором, газообразными веществами от автотранспорта. Кроме того, подготовленные для операции рабочие жидкости, обработанные химреагентами, также представляют угрозу окружающей среде.
Тепловая обработка скважины также вредна для окружающей среды. Процесс закачки пара и горячей воды требует наличия топлива и чистой воды, вещества, выделяющиеся при генерации пара, загрязняют природу. Расход нефти, используемой в качестве топлива, может составить до четверти от ее добываемого количества, поэтому желательна разработка систем, при которых все отходящие газы сжигания топлива вводятся в паровую линию. При этом исключаются выбросы в атмосферу вредных компонентов, но возможно загрязнение недр.
Предлагаемая технология позволяет производить очистку ПЗП в течение 1-1,5 часов с малыми затратами силами бригады из 3 человек с использованием одного автомобиля. При этом отсутствуют спускоподъем-ные операции, излив жидкости на землю, не используется хранение труб на мостках, применение большого количества транспортной техники, не применяются кислоты и химреактивы, отсутствуют нефтешламы и бытовой мусор ввиду отсутствия бытовых помещений для бригады.
Легкие углеводороды, всплывающие к устью скважины откачиваются в емкость, находящуюся в кузове автомобиля или на прицепе. Загрязне 94 НИИ почвы практически нет, загрязнения воздуха от применения одного автомобиля минимальны.
Экономический эффект от внедрения данного мероприятия составит 18368,7 руб. на одну обработку нагнетательной скважины по сравнению с кислотной обработкой. В приложении представлен сравнительный анализ экономической эффективности применения ударно-волнового воздействия и кислотной обработки скважин.
