Способ увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области добычи нефти из береговых и прибрежно-морских коллекторов. Сущность изобретения: одновременно воздействуют на геологическую формацию упругими звуковыми волнами и электрическим нагревом. Для этого в скважине над нефтяным коллектором предварительно создают изоляционный мост путем выполнения полости вырезанием части обсадной колонны и заполнением этой полости изолирующим материалом. Подачу электрического тока к нефтяному коллектору осуществляют по части обсадной колонны, расположенной ниже изоляционного моста через закрепленные на вибраторе механические или гидроприводные соединители от вибратора или по электрическому проводнику, связывающему вибратор с гидроприводными соединителями, расположенными над изоляционным мостом. Электрический ток к вибратору или к гидроприводным соединителям, расположенным над изоляционным мостом, подают по электрическому кабелю, эксплуатационной колонне или изолированной обсадной колонне. Используют различные типы вибраторов, конструктивное выполнение которых раскрыто в изобретении. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 28 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области добычи нефти, а более точно к способу и устройству для увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора.

Углеводороды, известные в качестве сырой нефти, находятся в окружающем мире, обычно, удерживаемыми в песчаниках различных пористостей. Коллекторы залегают в местах, находящихся от нескольких метров до нескольких тысяч метров ниже поверхности земли и морского дна и в значительной степени различаются по величине и сложности, что касается их содержаний свободной воды и газа, давлений и температур.

Нефть добывается посредством скважин, пробуренных в формациях. Скважина, сама по себе, представляет сложную конструкцию, включающую обсадные трубы, которые защищают ствол скважины от самой формации и давлений текучих сред коллектора. В зависимости от глубины обсадные трубы подвергаются ступенчатому уменьшению в диаметре. Другими словами, диаметр трубы уменьшается с увеличением глубины. Можно использовать обсадные трубы диаметром (127 см) в верхних областях и 7,5-дюймовые обсадные трубы диаметром 19,05 см в нижних областях.

Нефть, как таковая, дренируется из продуктивного пласта (продуктивной свиты) посредством отверстий, образованных сверлением в обсадной трубе, причем впоследствии поднимается к поверхности по трубам, которые называются лифтовой колонной. Эта лифтовая (насосно-компрессорная) колонна центрируется внутри обсадных труб посредством специальных центраторов таким образом, чтобы кольцевой канал существовал между лифтовой колонной и обсадной колонной.

Первоначально нефть добывается благодаря тому, что первичное давление в коллекторе является более высоким, чем действие комплексных сил прилипания флюида (текучей среды) к пористой среде. Когда в процессе добычи давление понижается, достигается точка равновесия, в которой силы адгезионного взаимодействия являются более значительными, чем остаточное давление в продуктивном пласте. В этих условиях большая часть нефти все еще остается в коллекторе. Оценивается, что в глобальном среднем значении это должно равняться приблизительно 85% нефти, которая находилась там первоначально, однако, показатели добычи в значительной степени варьируются от одного коллектора к другому. В качестве примера мы упоминаем экофишское месторождение в Северном море, где показатель добычи нефти первичными методами (фонтанным или насосным) составлял 17% первоначальной нефти в месторождении (OOIP) и стетфджордское, где упомянутый показатель оценивается в 45% добычи нефти первичными методами (OOIP).

Поэтому целью всех разработанных способов является увеличение добычи нефти, связанное с преодолением этих сил сцепления. Теоретическая база для того, чтобы объяснять причину этих сил сцепления, является следующей: A силы, обусловленные смачиваемостью; B силы, обусловленные проницаемостью; C капиллярные силы; D адгезионные и когезионные силы.

Представляется подходящим, чтобы силы сцепления, рассматривавшиеся в этом изобретении, объяснялись более подробно.

A смачиваемость Смачиваемость представляет один из основных параметров, которые воздействуют на местоположение, поток и распределение коллекторных флюидов. Смачиваемость коллектора воздействует на его капиллярное давление, его относительную проницаемость, его поведение при нагнетании воды, его дисперсию и его электрические свойства.

В системе нефть-вода-порода смачиваемость представляет критерий родственной связи (сродства), которую порода демонстрирует относительно нефти или воды. Смачиваемость пород коллектора (продуктивного пласта) варьируется от сильно смоченной водой до сильно смоченной нефтью. В случае, когда порода не демонстрирует никакого сильного сродства относительно любого флюида, тогда говорится, что ее смачиваемость должна быть нейтральной или промежуточной. Некоторые коллекторы демонстрируют смачиваемость, которая является гетерогенной или локализованной, существующие компоненты сырой нефти, которые являются сильно адсорбированными в отдельных участках. Таким образом, часть породы становится сильно смоченной нефтью, между тем как остальная часть может быть сильно смоченной водой. В других коллекторах может устанавливаться такое состояние, которое называется смешанной смачиваемостью, так как нефть остается локализованной в более крупных порах, смоченных нефтью, в виде непрерывных каналов, которые пропускаются породой, между тем как вода остается заключенной в пределы самых малых пор, смоченных водой.

В настоящее время используются три способа, чтобы количественно измерять смачиваемость: угол контакта, метод Амотта и способ Горного бюро США. Посредством угла контакта измеряется смачиваемость сырой нефти соляным раствором на поверхности полированного минерала. Этот способ служит для того, чтобы верифицировать влияние таких факторов, как температура, давление и химикаты на смачиваемость.

Считается, что большинство минералов, присутствующих в нефтяных коллекторах, особенно силикатов, являются первоначально смоченными водой. Аренитовые коллекторы были отложенными в водных окружающих средах, в которые позже мигрировала нефть. В ходе этого процесса смачиваемость минералов коллектора могла изменяться адсорбированием полярных соединений или отложений органического вещества как по отдельности, так и в совокупности, первоначально присутствующих в сырой нефти. Молекулы с крайними полярностями могут адсорбироваться на поверхности породы, образуя тонкую органическую пленку, которая в свою очередь будет способствовать образованию смоченной нефтью поверхности. В зависимости от температуры и давления в коллекторе такие механизмы могут изменять степень смачиваемости. Небольшое исследование было проведено для того, чтобы определить, каким образом механическое вмешательство может воздействовать на смачиваемость. Смачиваемость системы нефть-вода-порода зависит от адсорбции и десорбции полярных соединений (электрических диполей) в сырой нефти на поверхности минерала, которые в свою очередь зависят от типа растворимости этих соединений в флюиде коллектора.

Чтобы начинать решение проблемы смачиваемости, необходимо связывать эти электрические диполи с механическим воздействием таким образом, чтобы смачиваемости не позволялось возвращаться к ее первоначальному состоянию.

B проницаемость Проницаемость представляет способность пористой породы проводить флюиды, т. е. свойство, которое отличает благоприятные условия, при которых флюид может протекать через пористую среду, когда подвергается влиянию приложения градиента давления. Проницаемость определяется законом Дарси, будучи макроскопическим свойством пористой среды. Проницаемость очевидно имеет отношение к геометрии пористой структуры, ее пористости, извилистости и распределению размера пор.

Понятие относительной проницаемости используется в ситуациях, в которых два несмешиваемых флюида, такие как нефть и вода, протекают одновременно через пористую среду. Эта проницаемость не зависит от скорости потока и свойств флюида, а зависит исключительно от насыщенностей флюидами внутри пористой среды. Изменение относительной проницаемости является крайне необходимым фактором в технологии исследования и разработки коллектора, поскольку таковой составляет доминирующий фактор для знания свойств потока в нефтяном коллекторе.

Контролирование или улучшение проницаемости тогда является наиболее важным фактором, чтобы повышать коэффициент охвата коллектора при вытеснениях нефти водой. Необходимо сказать, что вытеснение полимерами представляет метод, наиболее часто используемый в контроле подвижности. Растворимые в воде полимеры добавляются к воде, которая должна нагнетаться с целью улучшения отношения подвижностей посредством повышения вязкости и понижения проницаемости охваченных зон, и, таким образом, предупреждается преждевременный прорыв воды.

Достаточно много исследований проводилось с целью создания полимеров, достаточно недорогостоящих для этой цели, однако, до сих пор без большого успеха.

C капиллярные силы Равновесное насыщение в нефтяном коллекторе перед началом его разработки регулируется геометрией породы и характеристиками текучих сред. Так как вода и углеводороды представляют собой несмешиваемые флюиды (текучие среды), существует перепад давлений капиллярное давление между этими двумя флюидными фазами. Если смоченный флюид является вытесняющим несмоченный флюид, критическое капиллярное давление, зависящее от размера пор, должно преодолеваться перепадом давлений для того, чтобы вытеснять фазу смоченного флюида из этих пор.

Отношение между приложенным перепадом давлений (эквивалентным капиллярному давлению) и насыщением характеризует распределение размеров пор. Кривая критического капиллярного давления, измененного для пород коллектора, служит для того, чтобы индицировать распределение нефти в коллекторе, и поэтому является главным параметром, чтобы предсказывать насыщение нефтью на различных глубинах.

Обычно капиллярное давление измеряется методом центрифугирования, посредством которого образец горной породы с первоначальными насыщенностями флюидами коллектора погружается в смачивающую жидкость и центрифугируется с рядом выбранных угловых скоростей. Для каждой скорости определяется средняя насыщенность образца и таковая в свою очередь затем коррелируется к соответствующему капиллярному давлению посредством достаточно трудоемких числовых вычислений (метод Хасслера-Бруннера).

Так как капиллярное давление может препятствовать добыче нефти, в частности, в случае малых пор, очень важно быть в состоянии контролировать или понижать критическую точку капиллярности в добыче нефти третичными методами.

Обычно применяются химические методы, основанные на тензоактивностях, такие как поверхностно-активные добавки, чтобы снижать межфазное натяжение. Однако, результаты, описанные в соответствующей литературе, показывают, что использование тензоактивностей представляет ограниченные результаты, обусловленные высокой стоимостью этих продуктов и их большим потреблением горной породой коллектора.

D адгезионные и когезионные силы Силы молекулярного взаимодействия, которые существуют между двумя слоями различных или одинаковых веществ, являются теми, которые генерируют адгезионные или когезионные силы, соответственно.

В случае флюида в пористых горных породах адгезионные силы будут существовать между флюидом и стенками пор. Такие силы, в частности, появляются в нефтяной фазе в качестве следствия полярных составляющих в углеводородах.

По всей вероятности, адгеэионные силы являются более слабыми, чем капиллярные силы, упоминавшиеся выше.

Поскольку нефть играет господствующую роль в мировой экономике, огромные усилия прилагаются для того, чтобы увеличить в объеме добычу, в дополнение к так называемой добыче нефти первичными методами или истощению природного коллектора. Различные методы являются известными, рассмотренными в литературе по этому предмету, а также в старых и современных патентных документах.

Самой старой технологией и по этой причине наиболее хорошо известной является технология нагнетания воды или газа в нагнетательную скважину для повышения давления и, таким образом, "выжимания" немного больше нефти из скважины. Другие хорошо известные технологии состоят из различных химических и термических методов, среди которых мы упоминаем следующие далее примеры, взятые из книги "Enhanced bil Recovery, 1, Fundamentais and Analyses" by E. C. Donaldson, G.U. Chillingarian, and Jen, Elsevier 1985.

Нагнетание химических продуктов (щелочей). Этот метод требует предварительной промывки, чтобы подготовить коллектор, и нагнетания щелочного раствора или раствора щелочного полимера, который образует поверхностно-активные добавки по месту, чтобы освобождать нефть. После этого вводится раствор полимера, чтобы регулировать подвижность, и буровой раствор (вода), чтобы вытеснять химические продукты и нефть, получаемые в результате этого процесса добычи, в направлении эксплуатационных скважин.

Нагнетание углекислого газа. Этот способ представляет процесс вытеснения нефти смешивающимся агентом, который является адекватным для многих коллекторов. Обычно, наиболее осуществимым является использование запаса CO₂, сопровождаемого чередующимися нагнетаниями воды и CO₂ (WAG).

Нагнетание пара. Тепло от пара, нагнетаемого в коллектор тяжелой нефти, снижает вязкость нефти, обеспечивая таким образом ее более легкое вытеснение через формацию в направлении эксплуатационных скважин.

Циклическое воздействие паром. В этом процессе, который обычно предшествует непрерывному нагнетанию пара, нагнетание происходит в эксплуатационные скважины в промежутки времени, сопровождаемые простоем скважины, для теплоотдачи и позже возвращения к эксплуатации. Эти циклы повторяются до тех пор, пока показатель добычи не будет становиться меньше, чем минимальный уровень рентабельности.

Внутрипластовое горение. Этот процесс охватывает зажигание и контролируемое сжигание нефти внутри пласта, пользуясь нагнетанием чистого кислорода или воздуха в качестве поддерживающих горение агентов. Освобожденное тепло и газы под высоким давлением делают легким вытеснение тяжелых нефтепродуктов в направлении эксплуатационных скважин.

Руководство "Thermal Recovery", by Michael Prats, Monograph Volume 7, Henry L. Doherty Series 1986 рассматривает технологию, вовлеченную в добычу нефти тепловыми методами, цель которой состоит в том, чтобы нагревать коллектор различными способами. Это руководство также раскрывает другие применения нагрева коллектора и предлагает технические решения использования нагрева формации вокруг зоны скважины посредством электрической энергии. Электрический ток проводится посредством изолированного кабелепровода к экрану из нержавеющей стали в забое участка скважины. Затем ток вытекает из экрана, проходит через нефть в забое скважины, через обсадную трубу и возвращается к заземленному кабелепроводу у поверхности. В дополнение к проблемам электрических соединений в забое скважины, когда ток течет через жидкость, большая часть энергии теряется в земных пластах, даже если их удельное сопротивление является ниже, чем удельное сопротивление коллектора. Это происходит потому, что ток должен проходить расстояние в сотни раз более длинное в земном пласте.

Так как эти системы могут справляться только с частью адгезионных сил, большие усилия прилагались и прилагаются, чтобы решить эту проблему, повышая таким образом добычу нефти применением более тщательно разработанных способов.

Для настоящей заявки и для патентов, на которые делаются ссылки, как это следует ниже, важно представлять более подробное описание адгезионных сил.

В патентах, представленных ниже, делается попытка решить упомянутую выше проблему.

Патент США N 2670801 (Дж.Е. Шерборн) раскрывает использование звуковых или сверхзвуковых волн для увеличения добычи и производства сырой нефти в нефтеносных пластах. Более точно, используются звуковые и ультразвуковые колебания вместе с вторичными процессами добычи, которые используют вытесняющие текучие среды как при нагнетании воды или нагнетании газа, или аналогичных текучих сред, посредством которых эффективность вытесняющей текучей среды, используемой для извлечения остающейся в пласте нефти, повышается.

Патент США N 2799641 (Томас Гордон Белл) раскрывает стимулирование фонтанирования нефти из скважины электролитическими средствами. Раскрытый способ обеспечивает возбуждение притока пластового флюида в участок скважины электрической энергией, однако, пользуясь постоянным током, так как цель этого изобретения состоит в том, чтобы повышать добычу посредством хорошо известного явления электроосмоса.

Патент США N 3141099 (К.У. Брендон) представляет устройство, которое устанавливается в забое скважины и используется для нагревания части участка скважины посредством диэлектрического или дугового нагрева.

Единственным нагревом, который может достигаться этим изобретением, является контактный электронагрев. Не представляется возможным осуществлять нагрев посредством электрической дуги, так как это могло бы потребовать расположение электродов довольно близко друг к другу, и тогда электрические дуги могли бы оплавлять горные породы, достигаемые дугами.

Патент США N 3169577 (Эрих Сарапу) раскрывает средства соединения между собой подземных электродов посредством электрических импульсов и относится к способам, ориентированным на наведение фонтанирования в эксплуатационных скважинах. Цель состоит в том, чтобы бурить дополнительные скважины, а также создавать трещины или изломы около ствола скважины, таким образом увеличивая дренажную поверхность скважин и обеспечивая нагревание углеводородов близко к скважине для понижения вязкости таких углеводородов.

Патент США N 3378074 (БОДИН) относится к звуковому вибратору, который должен устанавливаться внутри скважины, чтобы подвергать ее воздействию только звуковой энергии для того, чтобы достигать звуковой накачки в зоне скважины. В качестве последствия действия упомянутой звуковой энергии высокого уровня (и без использования такого устройства, связанного с электрическим воздействием), эффект звукопоглощения, образованный в коллекторе, будет резко снижать проникновение звуковой энергии. Однако, этот способ будет улучшать состояние в зоне скважины и будет способствовать снижению гидравлического сопротивления в потоке флюида.

Патент США N 3507330 (Уильям Дж. Гилл.) относится к способу возбуждения притока пластового флюида в зону скважины только электрической энергией, в котором электрическая энергия пропускается "вверх и вниз" в самих скважинах, посредством отдельных кабелепроводов.

Патент США N 3754598 (Карл К. Холлоуэй, мл.) раскрывает способ, который включает использование по меньшей мере одной нагнетательной скважины и другой эксплуатационной скважины, чтобы обеспечивать текучесть через формацию жидкости, на которую налагаются колебательные волны давления со стороны нагнетания.

Патент США N 3874450 (Керн) относится к способу расположения электродов посредством электролита, имеющий своей целью дисперсию электрических токов в подпочвенной горной породе.

Патент США N 3920072 (Керн) представляет способ нагревания разрабатываемого нефтеносного пласта посредством электрического тока и оборудование, используемое для такой цели.

Патент США N 3952800 (Бодин) раскрывает звуковую обработку поверхности нефтяной скважины. Этот способ, который является малопрактичным, предназначается для обработки зоны скважины посредством нагнетания газа в самой эксплуатационной скважине, причем этот газ подвергается воздействию ультразвуковых колебаний для нагревания разрабатываемых нефтеносных пластов.

Патент США N 4049053 (Сидни Т. Фишер и др.) раскрывает различные низкочастотные вибраторы для установки в скважинах, которые приводятся в действие гидравлически расположенным на поверхности оборудованием.

Патент США N 4084638 (Кутберт Р. Уайтинг) имеет отношение к возбуждению нефтеносного пласта посредством импульсных токов высокого напряжения в двух скважинах одной нагнетательной и другой эксплуатационной. В патенте раскрыто, каким образом получать такие электрические пульсации.

Патент США N 4345650 (Ричард X. Уэсли) раскрывает устройство для электрогидравлической добычи сырой нефти посредством взрывчатого вещества и остроконечной искры, образуемой близко к подпочвенному нефтеносному пласту.

Несмотря на то, что образование гидравлических ударов посредством нагруженного конденсатора является хорошо известным в данной области техники, это изобретение представляет первоклассный вибратор, а также преимущества использования ударных волн, чтобы повышать добычу нефти.

Патент США N 4437518 (Уильямс) раскрывает техническое решение, обеспечивающее использование и построение в скважине пьезоэлектрического вибратора для добычи нефти.

Патент США N 4466484 (Кермабон) представляет способ воздействия на зону скважины только посредством электрической энергии, но только постоянного тока, так как цель этого изобретения состоит в том, чтобы усиливать эффект электрической энергии для добычи нефти посредством хорошо известного явления электроосмоса.

Патент США N 4471838 (Бодин) раскрывает Другой способ возбуждения притока пластового флюида в скважину при помощи вибраций, который отличается от способов, упоминавшихся ранее. Здесь также являются приемлемыми замечания, относящиеся к патенту США N 4437518. Основное различие между патентами состоит в том, что энергия генерируется источником, установленным на поверхности. Принимая во внимание большую глубину скважин, вообще, этот способ является едва ли осуществимым.

Патент США N 4558737 (Кузнецов и др.) раскрывает располагаемое в забое ствола скважины термоакустическое устройство, включающее нагреватель, соединенный с вибрирующим телом. Замысел состоит в том, что зона скважины должна нагреваться и вибрация нагревающего устройства может активизировать нефть в этой зоне, повышая таким образом удельную теплопроводность. Хорошо известное явление состоит в том, что любое встряхивание повышает удельную теплопроводность в данной среде.

Патент СССР N 832072 (Гадиев и Симкин) раскрывает вибрирующее нагревательное устройство, установленное внутри скважины, посредством которого вибрации предназначаются для повышения удельной теплопроводности.

Патенты СССР N 1127642 и N 1039581 раскрывают различные вибраторы, которые должны устанавливаться в скважине для воздействия только на зону скважины.

Патент Канады N 1096293 (Макфолл) представляет конструкцию резонатора текучих сред, в которой поток текучей среды через и вокруг трубчатого или цилиндрического элемента, установленного параллельно направлению перемещения текучей среды, генерирует колебания или волны вибрации в этом потоке. Это представляет только один дополнительный способ для генерирования волны в скважине без комбинации и технических методов для одновременного использования электрического воздействия. Конструкция резонатора является аналогичной свистку, в котором разрыв потока воздуха и его изменение в направлении генерируют звуковые волны.

В патенте США N 4884634 раскрыты способ увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора, включающий подачу электрического тока к нефтяному коллектору и к вибратору для одновременного электрического и вибрационного воздействия на нефтяной коллектор, и устройство для осуществления этого способа, содержащее размещаемые в скважине электромеханические вибраторы с удлиненными корпусами, электрически связанные с источником импульсной электрической энергии. Этот способ создает вибрации формаций в нефтяном коллекторе с частотой, наиболее приближенной к собственной частоте формаций для уменьшения адгезионных сил между формациями и нефтью. Электрическое воздействие на нефтяной коллектор осуществляется при помощи электродов, установленных по меньшей мере в двух прилежащих скважинах. Этот процесс осуществляется наполнением скважины обладающей металлическими свойствами жидкостью до высоты, соответствующей высоте пласта, приведением в состояние вибрации упомянутой обладающей металлическими свойствами жидкости посредством уже установленного вибратора и, одновременно, совершением электрического воздействия посредством приложения электрического тока к упомянутым электродам.

В связи с тем, что в этом способе и устройстве электрическое воздействие на нефтяной коллектор осуществляется с помощью электродов и вышеописанной металлической жидкости, заполняющей скважину, они не могут быть использованы для скважин, эксплуатировавшихся длительное время с установленным в них оборудованием стандартного типа. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности добычи нефти, обеспечение возможности увеличения добычи нефти из скважин, эксплуатировавшихся длительное время, и восстановление добычи нефти в скважинах, где таковая является парализованной, обеспечение использования обычных оборудования, сооружений и инструментов для добычи нефти, упрощение конструкции, повышение надежности и долговечности устройства для увеличения добычи нефти.

Этот технический результат достигается тем, что в способе увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора, включающем подачу электрического тока к нефтяному коллектору и к вибратору для одновременного электрического и вибрационного воздействия на нефтяной коллектор, согласно изобретению, в скважине над нефтяным коллектором предварительно создают изоляционный мост путем выполнения полости вырезанием части обсадной колонны и заполнением этой полости изолирующим материалом, подачу электрического тока к нефтяному коллектору осуществляют по части обсадной колонны, расположенной ниже изоляционного моста через механические или гидроприводные соединители, установленные на вибраторе, закрепленном на нижней части эксплуатационной колонны, а подачу электрического тока к упомянутым механическим или гидроприводным соединителям осуществляют непосредственно от вибратора или по электрическому проводнику, связывающему вибратор с гидроприводными соединителями, расположенными над изоляционным мостом.

Подачу электрического тока к вибратору или к гидроприводным соединителям, расположенным над изоляционным мостом, осуществляют по электрическому кабелю, установленному в кольцевом промежутке между эксплуатационной и обсадной колоннами, или по эксплуатационной колонне, которую центрируют внутри обсадной колонны с помощью изолированных центраторов, или по изолированной обсадной колонне.

Вибрационное воздействие на нефтяной коллектор осуществляют путем использования энергии первоначального возвратно-поступательного перемещения подвижного органа вибратора для возбуждения колебаний его рабочих элементов, которые изменяют первоначальное направление распространения колебаний и/или усиливают их.

Направление распространения колебаний изменяют на угол приблизительно в 90^o по отношению к их первоначальному направлению распространения, а усиление колебаний осуществляют путем столкновений рабочих элементов подвижного органа вибратора для создания колебаний, соответствующих акустическим характеристикам нефтяного коллектора.

Технический результат достигается и тем, что в устройстве для увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора, содержащем размещаемые в скважине электромеханические вибраторы с удлиненными корпусами, электрически связанные с источником импульсной электрической энергии, согласно изобретению, электромеханические вибраторы выполнены с возможностью размещения в обсадной колонне скважины, подвижный орган вибратора и его рабочие элементы выполнены с возможностью смещения друг относительно друга приблизительно в 90^o под действием возбуждения, возникающего при подаче импульсной электрической энергии к вибратору для воздействия на обсадную колонну скважины колебаниями в соответствии с акустической характеристикой нефтяного коллектора.

Электромеханические вибраторы выполнены с возможностью создания колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Подвижный орган вибратора может быть выполнен в виде штанги, а рабочие элементы в виде V-образных подвижных обойм, прикрепленных к штанге. Подвижный орган вибратора может быть также выполнен в виде гибкой трубы, снабженной в нижней своей части закрывающим ее колпаком, а в верхней части - поршнем, выполненным с возможностью воздействия на жидкость, заключенную в этой трубе. Подвижный орган вибратора целесообразно выполнить также в виде гофрированной трубы из нержавеющей стали или в виде шланга из силикона, наполненных токопроводящей жидкостью, или из стальной трубы с прикрепленными к ней токопроводящими элементами и иметь соединительное средство.

Электромеханический вибратор может быть выполнен с возможностью горизонтального смещения рабочего органа под действием возбуждения, возникающего при подаче импульсной электрической энергии от источника переменного или постоянного тока или от конденсаторов, трансформаторов или магнитных катушек.

Электромеханический вибратор может быть также выполнен с возможностью вертикального смещения рабочего органа под действием возбуждения, возникающего при подаче импульсной электрической энергии к вибратору от источника переменного или постоянного тока или от конденсаторов, трансформаторов или магнитных катушек.

На фиг. 1 изображена схема трех скважин с расположенными в них устройствами для увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора; на фиг.2 - электрическая схема устройства, расположенного в скважине; на фиг. 3 узел электрической схемы, осуществляющий подачу электрического тока к вибратору или гидроприводным соединителям устройства посредством электрического кабеля; на фиг. 4 узел электрической схемы, осуществляющий подачу электрического тока к вибратору или гидроприводным соединителям по эксплуатационной колонне или по изолированной части обсадной колонны; на фиг.5 вибратор устройства для увеличения добычи нефти согласно первому варианту его выполнения; на фиг.6 - электрическая схема вибратора; на фиг.7 второй вариант выполнения вибратора; на фиг. 8 сечение А-А на фиг.7; на фиг.9 подвижный орган и рабочие элементы вибратора; на фиг.10 вариант выполнения подвижного органа вибратора; на фиг. 11-14 поперечные сечения гофрированной трубы, служащей подвижным органом вибратора; на фиг.15 катушка вибратора; на фиг.16 третий вариант выполнения вибратора; на фиг. 17 обмотка вибратора; на фиг. 18 четвертый вариант выполнения вибратора; на фиг.19 сечение Б-Б на фиг.18; на фиг.20, 21 другие варианты выполнения вибратора; на фиг.22, 23 сечения труб различной формы с размещенными в них обмотками вибратора и горизонтальные проекции волновых импульсов, создаваемых в них; на фиг.24 принципиальная схема для получения низкочастотных звуковых колебаний; на фиг.25 скважина, подготовленная для осуществления способа увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора с использованием устройства согласно изобретению; на фиг.26 то же, что и на фиг. 25, с использованием устройства, имеющего вибратор, создающий вертикальные колебания; на фиг.27 схема лабораторной установки для проведения испытаний способов увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора; на фиг.28 графики результатов испытаний, проведенных на установке, показанной на фиг.27.

На фиг. 1 показано общее расположение трех скважин, оборудованных обычными элементами, хорошо известными специалистами в данной области техники, такими как устье 1 скважины и поточные линии 2 продукции скважин к нефтесборному резервуару. От трехфазного источника электропитания типа генератора или линии передачи начинающиеся от трансформаторов и блоков 3 управления отходят энергокабели 4 в направлении скважин. Стандартная обсадная колонна 5 центрируется в стволе скважины, эксплуатационная колонна 6 центрируется внутри обсадной колонны 5 посредством центраторов 7. На конце эксплуатационной колонны 6 находится пакер 8, известный специалистам в данной области техники. Обсадная колонна 5 подвергается обработке резанием на определенном расстоянии выше разрабатываемого нефтяного коллектора 9. Вырезанная часть обсадной колонны 5 образует полость, которая может заполняться, как например со стороны обреза, изолирующей эпоксидной смолой, или аналогичным изолирующим материалом. В результате этого создается изоляционный мост 10.

Устройство для увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора 9 содержит электромеханические вибраторы 11 с удлиненными корпусами, электрически связанные с источником импульсной электрической энергии, размещенные в обсадных колоннах 5 скважин и закрепленные на нижней части эксплуатационных колонн 6.

На вибраторе 11 установлены механические или гидроприводные соединители 12, предназначенные для подачи электрического тока к нефтяному коллектору 9 по части обсадной колонны 5, расположенной ниже изоляционного моста 10.

Как показано на фиг.3, подачу электрического тока к вибратору 11 или гидроприводным соединителям 12, расположенным над изоляционным мостом 10, можно осуществить по электрическому кабелю 13, снабженному арматурой 14 и установленному в кольцевом промежутке 15 между обсадной колонной 5 и внутренней стенкой эксплуатационной колонны 6.

Подачу электрического тока к вибратору 11 или гидроприводным соединителям 12, расположенным над изоляционным мостом 10, можно также осуществить по эксплуатационной колонне 6 или по изолированной части 17 обсадной колонны 5. В последнем случае соединитель 12 остается прикрепленным к эксплуатационной колонне 6 и устанавливает состояние контакта непосредственно во внутреннем, не изолированном, участке 16 верхней части 17 обсадной колонны 5, расположенном выше изоляционного моста 10 (фиг.4).

Ток, который оставляет проводящую верхнюю часть 17 обсадной колонны 5, через кабелепроводы 18 или электрический кабель 13 проходит через вибратор 11 и поступает в нижнюю часть 19 обсадной колонны 5 посредством другого гидроприводного соединителя 12.

Электромеханический вибратор 11 содержит подвижный орган и рабочие элементы, выполненные с возможностью смещения друг относительно друга приблизительно в 90^o под действием возбуждения, возникающего при подаче импульсной электрической энергии к вибратору 11 для воздействия на обсадную колонну 5 скважины колебаниями в соответствии с акустической характеристикой нефтяного коллектора 9. Вибраторы 11 выполнены с возможностью создания колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Вибраторы должны быть надежными, недорогостоящими, долговечными и синхронизироваться с собственной частотой геологических формаций, как это определено в работе "Случайная вибрация в перспективе", Уэйн Тустин и Роберт Меркадо, Тустиновский технологический институт, Санта Барбара, штат Калифорния, с. 187.

Собственная частота f_n представляет частоту свободных колебаний незаглушенной системы; также частота любого типа собственных колебаний f_n понижается в случае глушения.

Благодаря свойствам глушения (ослабления), которые всегда существуют в любом коллекторе и которые могут оцениваться коэффициентом добротности геологической формации, как это может подтверждаться по работе, представленной Янтуриным А. Ш. Рахумкуловым Р.Ш. Хармановым Н.Ф. (Башкирский НИИ нефти, Нефтяное Хозяйство. N 12, декабрь 1986 г, эффективная собственная частота находится в диапазоне от 0,5 до 5 Гц и может обеспечивать импульс звукового давления порядка от 2 до 20 МПа в зависимости от давления, преобладающего в коллекторе.

Однако, подтверждено, что эта частота может достигать почти 100 Гц и в качестве примера может быть приведено бразильское нефтяное месторождение, где это давление составляет 16,7 бар (1,67 МПа). В этом случае было подтверждено, что оптимальное среднее звуковое давление составляло 304 КПа, что дает в результате градиент давления в обсадной колонне порядка 108 КПа и ускорение порядка 5 g. Таким образом, имеется вибратор со средней мощностью 100 кВт 18 кВт/м². При 5 Гц этот вибратор может генерировать пик максимальной интенсивности порядка 362 кВт/м² и звуковое давление около 5 МПа.

Низкая частота, описанная здесь, создает упругие волны глубокого проникновения. Однако, представляется выгодным иметь доступными частоты значительно более высокие близко к зоне скважины, чтобы обеспечивать достижение эффекта эмульгирования и затем способствовать получению пониженного гидравлического сопротивления. Это решается приспособлением вибратора передавать так называемый "стучащий звук", что означает шум, заключающий в себе много частот, который, между прочим, представляет случай большинства шумов. Например, записывая низкочастотный шум данных музыкальных инструментов, таких как барабаны, можно подтверждать, что имеется ряд различных частот у верхней части низкочастотной волны.

Так как эффект глушения в коллекторе будет поглощать низкие частоты непосредственно вокруг скважины, наша цель автоматически достигается передачей низкочастотных "стучащих звуков". Ни один из способов, известных для воздействия вибрациями, не привлекал внимания к этой особенности.

В операциях геофизических исследований в нефтяных скважинах являются известными последовательные ряды вибраторов, которые могут передавать высокие мощности при различных частотах. Однако, ни одно из таких типов оборудования не показало состояния, которое было адекватным целям настоящего изобретения, так как не разрабатывалось для непрерывного использования. Кроме того, эти типы оборудования не позволяют объединенное использование электрического воздействия, также они не могут питаться, как например, от источника энергоснабжения в направлении скважин.

Следовательно, было необходимо разработать специальные электромеханические вибраторы, чтобы удовлетворить требования настоящего изобретения. Для достижения этой цели было подтверждено, что представлялось необходимым преобразовывать электрическую энергию в магнитную энергию и эту энергию в кинетическую энергию в некотором теле и отсюда в звуковой импульс высокой мощности. Такие электромеханические вибраторы представлены на фиг.5 и последующих фигурах, которые будут описываться ниже.

На фиг.5 изображен вибратор, создающий колебания в вертикальном направлении, включающий последовательный ряд катушек 20, которые после присоединения к источнику питания оказывают давление на трубу 21, поляризованную в отверстиях катушек. Эта труба 21 передает кинетическую энергию, генерированную таким образом, подвижному органу 22 вибратора 11, который изменяет направление движения упругих волн. Это достигается посредством следующих элементов: катушки 20 соединяются последовательно и с двухполупериодным выпрямителем 23; выпрямитель 23 соединяется с магистральным проводником 24, который в данном случае состоит из эксплуатационной колонны 6 и нижней части 19 обсадной колонны 5. Выпрямитель 23 представляет собой обычный переключатель, приводимый в действие тиристором 25. Этот переключатель размыкается с заданной частотой посредством таймера 26. Когда переключатель размыкается, постоянный ток протекает в направлении катушки 20, и тогда магнитные поля, генерируемые в катушках 20, перемещают поляризованную трубу 21 вниз. Чувствительная катушка 27 соответствует концу пути и снова замыкает переключатель, а пружина 28 или давление внутри коллектора 9 будет перемещать поляризованную трубу 21 снова вверх. Нефть течет через поляризованную трубу 21 и забирает тепло, генерированное в катушках 20.

Далее представляется подробное описание рабочего органа 22, который принимает удар поляризованной трубы 21. На фиг.7 показан вариант выполнения вибратора 11, подвижный орган 22 которого выполнен в виде штанги 29 с V-образными неподвижными обоймами 30, прикрепленными к штанге 29. Рабочие элементы вибратора 11 выполнены в виде V-образных подвижных обойм 31, прикрепленных к штанге 29 и расположенных на определенном расстоянии ниже обойм 30. Обоймы 30, 31 могут иметь различные формы и таким образом создавать различные волновые спектры, когда штанга 29 вжимается в жидкость. Волны будут генерироваться, когда флюиды между подвижными обоймами 31 и фиксированной обоймой 30 выжимаются радиально наружу, так как сильное ускорение штанги 29 вниз вынуждает обоймы 30, 31 прижиматься друг к другу с высокой скоростью. Размещением противоположных сторон обойм 30, 31 параллельно штанге 29 представляется возможным аксиально изгибать обсадную колонну 5 (фиг.8). Большое преимущество этого состоит в том, что гораздо меньшая сила требуется для того, чтобы деформировать обсадную колонну 5, подобную этой, чем когда тянется стальная, как это происходит при использовании вибратора, который посылает порции сил во всех направлениях и одновременно. Позволяя боковым сторонам обойм 30, 31 следовать по длинной спирали, представляется возможным вызывать колебания обсадной колонны 5 подобно струне музыкального инструмента, передавая таким образом пучки наложенных друг на друга волн в пласты геологической формации.

С другой стороны, поляризованная труба 21 может ударять любую конструкцию, которая может изменять направление вертикального движения приблизительно на 90^o. В другом варианте выполнения, показанном на фиг.8, подвижный орган 22 вибратора 11 выполнен в виде гофрированной стальной трубы 32, снабженной в нижней своей части закрывающим ее колпаком 33, а в верхней части поршнем 34, размещенным в концевой части 35. Поршень 31 может перемещаться поляризованной трубой 21 (фиг.7) в трубу 32, заполненную жидкостью.

Поршень 31 возвращается в исходное положение посредством пружины 28 или любым другим упругим средством. Гофрированная труба 32 может иметь любую другую форму (фиг.11-14), и трубы всех этих форм будут генерировать различные волновые спектры и позволять обсадной трубе 5 изгибаться в осевом направлении.

В другом варианте выполнения вибратора используется векторное произведение электрического и магнитного потоков, которое дает в результате перпендикулярную силу F, которая является основой для всех электрических двигателей, питающихся электрическим током, используемым для скважин. Этот альтернативный вариант показан на фиг.15. Вибратор выполнен в виде сердечника 36, собранного из катанных стальных листов, как в якоре двигателя. Обмотка, выполненная из изолированного медного провода 37, охватывает сердечник 36, причем сердечник 36 и обмотка 37 защищаются изоляцией 38.

Для подвижного органа 22 вибратора 11 существуют различные варианты выполнения, четыре из которых представляются ниже.

В первом варианте подвижный орган 22 представляет гофрированную трубу 39, выполненную из нержавеющей стали. Кольцевое пространство между трубой 39 и изоляцией 38 заполняется жидкостью с высокой удельной электропроводностью, например, ртутью. Вместо гофрированной трубы 39 можно использовать гибкий шланг 40, выполненный из силиконового каучука.

Другой альтернативный вариант для подвижного органа 22 представляет трубу 41, разделенную на четыре элемента 42. Между полюсами 43 расположена железная штанга 44, прикрепленная к трубе 41. Трубы 41 поддерживаются объединенными посредством эластичного силиконового шланга 45.

Еще один альтернативный вариант представляет гофрированную трубу 46 специальной формы.

Работа вибратора осуществляется следующим образом.

Ток (фиг.17) от проводника скважины сначала проходит через обмотку 47 и генерирует таким образом магнитный поток B между полюсами 42, 43. После этого ток проходит через подвижный орган 22 (в первых двух альтернативных вариантах через проводящую жидкость), а затем в геологическую формацию. Цепь образуется таким образом, чтобы сила F могла действовать на обсадную колонну 5 и геологическую формацию. Когда направление тока и магнитного поля изменяется благодаря частоте переменного тока, частота вибраций будет удваиваться. То есть, если частота переменного тока 50 Гц, то частота вибраций будет составлять 100 Гц.

В некоторых нефтяных коллекторах таковая может быть оптимальной частотой и поэтому не будет требоваться маневрировать силой, приложенной к вибратору. Однако, может быть не выгодным использовать более низкую частоту, сила может прилагаться, как описано для фиг.5, или посредством передачи импульса высокого напряжения, как например, от поверхности, что вынуждает ток проходить через обмотку в вибратор и, следовательно, в формацию. Эта сила может также подаваться, например, от нагруженного конденсатора или от нагруженной катушки, как это имеет место в системе зажигания автомобиля.

На фиг.18 показана схема 48 соединения, имеющая соединитель 12, приводимый в действие гидравлически, прикрепленный к концу эксплуатационной колонны 6, изолированной ее пакером 8 ниже увеличенного участка 49. Вибратор 11 выполнен в форме сердечника 50, составленного из железных листов, объединенных посредством болта 51 с гайкой 52. В каждом конце сердечника 50 имеются две концевые части 53, которые оказывают давление на связку катанных железных листов, образующих сердечник 50. Обмотка 54 из медного провода наматывается на сердечник 50 и, будучи соединенной с источником энергоснабжения, генерирует магнитное поле с северным и южным полюсами в каждой стороне сердечника 50 (фиг.19). Для того чтобы защитить обмотку 54 и сердечник 50, они помещаются внутрь немагнитной трубы. Зазор между состоящим из сердечника 50 и эксплуатационной колонны 6 узлом 55 и стальной обсадной колонной 5 составляет около 1 мм.

Работа этого вибратора осуществляется следующим образом. Когда ток проходит через обмотку 54 и затем через соединитель 12 в геологическую формацию, колеблющийся магнитный поток B генерируется в обмотке 54 и изменяется в направлении в соответствии с частотой этого тока. Так как колеблющийся магнитный поток будет притягивать обсадную колонну 5 в том же самом направлении, колонна 5 будет вибрировать с частотой в два раза выше, чем частота источника энергоснабжения (фиг.19) благодаря пружинистости в стали. Это дает в результате преимущества, на которые указывалось в связи с описанием вибратора, показанного на фиг.5.

Для случая большой толщины разрабатываемого нефтяного коллектора (фиг. 18) сердечник 50 может скручиваться и, таким образом, будет возможным обеспечить вибрацию обсадной колонны 5, передавать серии волн, как например, от обсадной колонны 5 и совмещать узлы.

В том случае, если требуется использовать частоту ниже частоты электрического тока, таковая может быть достигнута способом, описанным для показанного на фиг.5 вибратора, который предусматривает возбуждение обмотки импульсами сильного тока. Также уместно указать, что все удары, производимые вертикальным вибратором, автоматически генерируют стучащие звуки. Чтобы достигать получение стучащих звуков в вибраторах, которые создают горизонтальные колебания и которые вибрируют с удвоенной частотой по отношению к частоте источника энергопитания, используется частотный модулятор. В его простейшей форме, таковой может выполняться с магнитофоном, сигнал которого усиливается трансформатором. Таким образом представляется возможным использовать специальную "музыку" для частотной модуляции.

В случае вибратора, который приводится в действие в соответствии с принципом, описанным в связи с фиг.18, может представляться выгодным строить таковой со специальным подвижным органом, который вибрирует вместо обсадной колонны 5. Это достигается установкой комплекта обмоток 51 внутри дополнительной гибкой трубы, которая может приводиться в состояние вибрации. Форма сечения этой трубы может быть круглой или эллиптической.

На фиг.20 показан еще один вариант вибратора.

Схема 48 соединения имеет соединитель 12 с гидравлическим приводом, прикрепленный к концу эксплуатационной колонны 6, изолированной ее пакером 8, ниже увеличенного участка 49. Ниже соединения 48 имеется пустое пространство 56, предназначенное для переключателей, которые управляют вибратором 57. Этот вибратор 57 состоит из последовательного ряда обмоток 58, прикрепленных друг к другу посредством прокладок 59 и секций трубы 60. В центральном отверстии обмоток 58 для каждой пары обмоток 58 помещаются два чугунных поршня 61, с их оконечными частями, повернутыми друг к другу и срезанными параллельно под углом 45^o. Обмотки 58 наматываются таким образом, что около каждой пары поршней 61 магнитные полюсы, которые поворачиваются друг к другу, остаются в направлении юга и севера. Плоский торец поршней 61 одной пары обмоток 58, повернутый к поршню 61 другой пары обмоток 58, имеет одинаковый магнитный полюс. Отверстие сверлится в секциях трубы 60, в которые в противоположном направлении помещаются два малых поршня 62, а оконечная часть, повернутая друг к другу, срезается параллельно под углом 45^o. Обмотки 58 с их поршнями 61 помещаются в стальную трубу 63, которая закрывается в нижней части плитой 64.

Функция вибратора 57 состоит в том, чтобы передавать электрический ток в обмотки 58, которые будут генерировать магнитные поля и упомянутые выше магнитные полярности. Поршни 61 будут притягиваться друг к другу и отжимать малые поршни 62 радиально наружу. Вертикальное движение поршней 61 и, поэтому, поглощенная кинетическая энергия, когда достигает поршни 62, будет трансформироваться в звуковую энергию, когда изгибается стальная труба 63. Без использования трубы 63 мощность будет передаваться от радиальных поршней 62 в качестве выброса.

Каждая оконечная часть поршней 62 будет передавать упругие волны большой мощности при низкой частоте. Даже если магнитное поле будет усиливаться медленно, внезапная динамическая нагрузка на оконечных частях поршня 62 обеспечит генерацию импульсов мощности порядка нескольких кВт.

Эти утверждения поддерживаются следующими далее уравнениями.

Для целей вычисления плотность магнитного потока в воздушном зазоре между полюсными башмаками принимается однородной. Также остаточное магнитное поле в черном металле, ток, наводимый флуктациями частоты в магнитное поле, и магнитные потери в других частях цепи принимаются в качестве пренебрежимо малых.

Закон Ампера показывает, что:

где H напряженность магнитного поля;
l длина цепи;
I электрический ток.

Магнитная сила может выражаться так:

где F магнитная сила;
W мощность магнитной энергии;
X смещение поля;
B магнитная индукция;
A площадь поперечного сечения магнитной цепи;
m магнитная проницаемость.

Тогда магнитное поле представляет:


где δ размер воздушного зазора;
N число витков в обмотке;
Полагая H_Fe 0, мы будем иметь 2H_воздухδ = Nl (2)
Таким образом:

Подставляя уравнение (3) в уравнение (1):

Это уравнение показывает, что магнитная сила увеличивается согласно параболе в качестве обратной функции размера воздушного зазора. Это показывает, что эта сила будет значительно расти до момента столкновения.

Рассмотрим для целей проектирования, основанном на фиг.8, следующие далее значения
A 0,02 м²; N 1000; I 5 А; δ_макс= 0,01 мм, m 5 кг.

Магнитная сила, соответствующая каждому положению поршня, и накопленная мощность в конце хода поршня могут вычисляться. Результаты показываются в табл.1.

В точке столкновения (δ 0) мощность может быть бесконечной. Однако, реальное значение может оцениваться в качестве 100 Дж, и время для диссипации этой энергии 0,001 с. Таким образом, мощность на поршень будет составлять:

Каждая серия волн малых поршней 62 будет налагаться на другие, так как волны будут налагаться друг на друга.

Расположение комплекта обмоток 58 и поршней 61, показанных на фиг.20, дает в результате осевое движение упомянутого поршня. Однако, может быть полезным повернуть узел, состоящий из обмотки 58 и поршня 61, на 90^o с тем, чтобы получить радиальное движение поршня 61.

Еще один альтернативный вариант для вибратора представляется на фиг.21.

Схема соединения имеет соединитель 12, приводимый в действие гидравлически и также прикрепленный к оконечной части эксплуатационной колонны 6, изолированной ее пакером 8, ниже увеличенного участка 49. Ниже соединения 48 находится пустое пространство 56, предназначенное для электрических переключателей вибратора. Вибратор состоит из последовательного ряда обмоток 65, намотанных вокруг сердечника 66 из железных листов так, что каждый магнитный полюс в оконечной части обмоток 65 является идентичным. Это означает, что северный полюс одной обмотки 65 поворачивается к северному полюсу другой обмотки 65, а южный полюс обмотки 65 поворачивается к южному полюсу следующей обмотки 65. Сердечники 66 из катаного железа формуются так, что каждая железная оконечная часть обмотки 65 является одинаковой в каждой обмотке 65. Комплект обмоток 65 в одной из возможных систем помещается в полую трубу 67 квадратного сечения из упругого магнитного материала, подобно стальной пружине, с пространством для обмоток 65 и сердечника 66. В другой системе труба 68 имеет круглое сечение и одинаковый тип материала и, поэтому, оконечные части катаных сердечников 66, свернутые в трубу, являются круглыми. Необходимо понимать, что представляется возможным использовать катаные трубы, где внутренняя труба выполняется из упругого магнитного материала, а внешняя труба выполняется, например, из нержавеющей стали.

Этот вибратор работает следующим образом.

Когда электрический ток проходит через обмотки 65 и затем через соединитель 12 в геологическую формацию, колеблющийся магнитный поток B генерируется в обмотках 65 и изменяется в направлении с частотой тока. Благодаря факту, что магнитные полюса в обмотках 65 поворачиваются друг к другу, образуется замкнутый магнитный контур для каждой обмотки 65 (фиг.20). Так как колеблющийся магнитный поток будет притягивать трубы, таковые будут вибрировать в два раза чаще, чем частота источника энергоснабжения. Так как притяжение является более сильным между обмотками 65, комплект будет передавать число серий волн, которое больше, чем длина вибратора. Каждый волновой импульс имеет в его вертикальной проекции форму, показанную на фиг.21, а в его горизонтальной проекции форму, иллюстрированную на фиг.22, 23. Преимущества этого являются одинаковыми с теми, которые представлены для движения трубы и, следовательно, обсадной колонны 5, как упоминалось для подвижного органа вертикального вибратора, показанного на фиг.5. Необходимо указать, что представляется возможным притягивать обсадную колонну 5 непосредственно без использования труб 67 или немагнитных труб в качестве устройств защиты обмоток.

Чтобы подавать низкую частоту, таковая может достигаться, как например, для показанного на фиг. 5 вибратора, или как это показано в изображенной на фиг.24 схеме.

Направление сетевого тока, который нагревает геологическую формацию (R_j), может изменяться посредством тиристора, отрегулированного по частоте, чтобы проходить через вибратор и затем возбуждать обмотки.

При использовании катанных труб, в котором внешняя труба является немагнитной, притягиваемая магнитная труба будет достигать внешней трубы, когда она возвращается, после прекращения действия магнитной силы, и тогда будет генерировать острый импульс, как таковой описан для вибратора, показанного на фиг.20.

В дополнение, было подтверждено, что взаимодействие электрического и звукового воздействий дает в результате эффект, который гораздо сильнее, чем при использовании любого из этих воздействий по отдельности.

Распределение тепла и энергии в нефтяном коллекторе посредством электричества и звуковых волн может вычисляться одинаковым способом, как количество тепла, эффективно освобожденного трением. Трение, вызванное звуковым воздействием, создается колебанием капелек флюида, однако, благодаря электричеству, таковое генерируется молекулярным движением. Таким образом, общий ввод энергии ограничивается охлаждающей способностью добытой нефти.

Вычисление для этого является простым:
Q Mc(t₂-t₁) (кДж/единицу времени)
где M масса нефти для каждой единицы времени, кг/ч;
c удельная теплоемкость нефти, кДж/кг^oC;
t₂ температура скважины;
t₁ средняя температура нефтяного коллектора.

Следует обратить внимание, что любой из вышеописанных вибраторов может использоваться для скважины или любого другого геофизического исследования или воздействия как по отдельности, так и в совокупности известных в данной области техники, таких как коалесценция, вибробурение, борьба с обледенением почвы, трещинообразование и т.п.

На фиг.25 изображена скважина, подготовленная для осуществления способа увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора с использованием вышеописанного устройства.

В скважине над нефтяным коллектором 9 предварительно создают изоляционный мост 10 путем выполнения полости 69 вырезанием части обсадной колонны 5 и заполнением этой полости 69 изолирующим материалом. В качестве этого материала может быть использован соленый бетон, просверленный после заполнения полости 69 шариками из алюминия или другого металла, или какой-либо другой материал с высокой удельной электрической проводимостью, такой как металлическая или неметаллическая проводящая текучая среда, для увеличения площади электрода и обеспечения хорошего акустического соединения с геологической формацией.

Подачу электрического тока к нефтяному коллектору 9 осуществляют по нижней части 19 обсадной колонны 5, расположенной ниже изоляционного моста 10 через гидроприводные соединители 12, установленные на вибраторе 11, закрепленном на нижней части эксплуатационной колонны 6. Подачу электрического тока к вибратору 11 или гидроприводным соединителям 12, расположенным над изоляционным мостом 10, осуществляют по изолированной верхней части 17 обсадной колонны 5.

На фиг.26 представлена система, аналогичная показанной на фиг.25, за исключением того, что вибратор 11 создает колебания в вертикальном направлении.

Ниже приводятся пояснения преимуществ способа увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора, согласно настоящему изобретению.

Основной принцип способа состоит в преимущественном воздействии на геологическую формацию, объединяющем вибрацию и электрическую энергию одновременно.

Это достигается вводом специальных вибраций в пласты формации. Эти вибрации должны быть насколько возможно ближе к собственной частоте породы основной массы или собственной частоте флюидов как по отдельности, так и в совокупности.

Подтверждение упомянутого выше принципа получено посредством испытаний, проведенных на лабораторной установке, показанной на фиг.27, с целью моделирования в лабораторном масштабе истинных условий, имеющихся в формациях. Эти испытания проводились, как описано ниже.

Песчаниковый блок был изолирован при почти 800 мД (миллидарси) проницаемости и 22% пористости, взятый из выхода породы на поверхность и насыщенный водой, содержащей 40000 мас.ч. на миллион NaCl. После этого вода вытеснялась сырой нефтью. Этот песчаниковый блок поддерживался при температуре около 38^oC.

Пористая среда 70, подготовленная, как объяснялось выше, обеспечивалась тремя типами скважин: эксплуатационной скважиной 71, нагнетательной скважиной 72, наблюдательной скважиной 73 и была оборудована датчиками 74, 75 давления, датчиками 76 температуры, оборудованием 77-80 для электрического воздействия, оборудованием 81 для звукового воздействия, оборудованием 82 для подачи газа, оборудованием 83 для подачи жидкости к этой системе.

Эти испытания повторялись несколько раз с использованием различных расположений вибраторов и источника электрической энергии и при сопровождении эффекта воздействия при использовании только вибрации, только электрической энергии и вибрации и электрической энергии одновременно. Добытая нефть собиралась в колбы 84.

Было подтверждено, что вибрации обеспечивают достижение различных эффектов в флюидах, удерживаемых в формациях.

Вибрации освобождают когезионные и адгезионные связи, а также большую часть капиллярных сил, позволяя таким образом углеводородам протекать через формацию.

Вибрации, которые распространяются внутри нефтяного коллектора в виде упругих волн, будут видоизменять угол контакта между формацией и флюидами и снижать коэффициент гидравлического сопротивления. Таким образом, будет иметь место более свободное течение в направлении скважин, где будет появляться резкое повышение в скорости, а также больший перепад давлений.

Упругие волны генерируют пульсирующую силу в этих пластах и, благодаря различным плотностям флюидов, таковые ускоряются различно. Благодаря различному ускорению, флюиды будут "притираться" друг к другу и генерировать тепло трением, которое в свою очередь будет уменьшать межфазное натяжение флюидов.

В дополнение к этим эффектам, вибрации будут освобождать газ, который улавливался и который будет способствовать многозначительному повышению в давлении нефти.

В дополнение пульсирующая сила будет создавать пульсирующее звуковое давление, которое будет способствовать фонтанированию нефти.

Для того, чтобы поддерживать и, одновременно, когда природное (собственное) давление уменьшается, тепло подводится к нефтяному коллектору. Тепло подводится как в форме теплоты трения, вызванной вибрациями, так и в форме переменного тока, подаваемого к скважинам. Вследствие способности передачи электрического тока всегда присутствующий в нефтяном коллекторе ток будет циркулировать в скважинах и заставлять коллектор действовать таким образом, как действует электрическая печь, причем в результате получается резистивный нагрев.

Этот нагрев будет служить причиной частичного испарения воды и самой легкой фракции нефтяных углеводородов.

Переменный ток будет вынуждать ионы в флюидах колебаться, и, таким образом, нефть, которая фонтанирует, действует в качестве охлаждающей среды, которая позволяет использование большой плотности энергии.

Эти основополагающие факты были подтверждены посредством испытаний, проведенных в лабораторном масштабе и основанных на ранее описанном принципе. Результаты одного из таких испытаний представляются на фиг.28.

График показывает добычу нефти из эксплуатационных скважин в зависимости от времени. Добыча из каждой скважины, суммарная добыча и тип прилагавшегося во время испытаний воздействия определяются следующим образом: V представляет только вибрации, E представляет только электрическую энергию, а V+E - представляет вибрации плюс электрическая энергия. После 80 ч это испытание прерывалось и возобновлялось несколько позже. Даже в таком случае результаты были многозначительными.

Из этого графика ясно, что при способе, согласно настоящему изобретению, было добыто нефти в 3,5 раз больше, чем при добыче нефти первичными способами. Результаты предшествующих испытаний были почти одинаковыми.

Важным является то, что происходило резкое повышение добычи нефти при воздействии посредством одновременного приложения электрической энергии и вибрационной энергии. Добыча нефти имела место прежде, чем ожидалось для теплового эффекта посредством только повышения давления и резких изменений в вязкости. Это подтверждает теорию, что поверхностное натяжение уменьшается при осцилляции ионов в флюидах, которая образует быстрое увеличение в фонтанировании нефти, вместе с акустическим воздействием, которое ускоряет каплеобразование.

Необходимо лучше объяснить, каким образом звуковые волны могут оказывать влияние на добычу нефти и что было подтверждено в нашем интенсивном лабораторном исследовании.

Механизмы движения в нефтяном коллекторе могут быть следующими
1. Расширение флюида и основной массы породы.

2. Вытеснение воды.

3. Вытеснение газа.

4. Вытеснение раствора газа.

Данное изобретение может использовать все эти механизмы, однако, его результаты являются наилучшими в случае вытеснения раствора газа.

В случае газа, растворенного в нефти, газ расширяется в виде маленьких капелек внутри нефти, когда уменьшается давление, или когда нефтяной коллектор нагревается при давлении, которое ниже давления насыщения.

Пузырьковое включение газа будут вытеснять нефть, которая будет протекать внутри нефтяного коллектора в направлении перепада давлений. Капельки нефти, обычно, окружаются водой, и существует очень мало твердотельных частиц, в которых могут создаваться пузырьковые включения. В этом случае повышение температуры появления первого пузырька (точки начала кипения) будет происходить согласно повышению температуры кипения и давление, при котором образуются пузырьки, должно быть существенно ниже, чем для данной температуры. Поэтому необходимо понижение давления для того, чтобы пузырьки могли начинать произрастать на микропузырьках, которые могут присутствовать в жидкости. Было показано, что звуковые колебания взаимодействуют с повышением температуры появления первого пузырька таким образом, чтобы легко могло начинаться кипение.

В дополнение, поверхностные натяжения на границе между нефтью и газом будут препятствовать течению нефти внутри коллектора. Эти поверхностные натяжения на границе между нефтью и газом являются относительно низкими и уменьшаются, когда повышается температура. Поэтому, очень большой эффект будет достигаться при относительно слабых вибрациях.

Проведенные лабораторные испытания показали, что из основной массы породы, в которой фонтанирование остановилось, представляется возможным снова начинать фонтанирование при вибрации слабой порядка 0,04 g. При этом уже была достигнута добыча вплоть до 80% остаточной нефти.

Объяснение этого состоит в том, что при прекращении фонтанирования это происходит потому, что достигается точка равновесия, которая может изменяться посредством слабого звукового воздействия.

Когда звуковые колебания распространяются в радиальном направлении скважины и нефть течет в направлении таковой, оптимальный эффект будет достигаться при использовании минимального количества энергии.

Кроме того, известно, что нефть и другие флюиды протекают гораздо легче через пористую среду, когда упомянутая среда подвергается воздействию вибраций, что объясняется снижением гидравлического сопротивления в порах. Таким образом объясняется, почему жидкость, которая рассматривалась в качестве ньютоновской жидкости, действует так, если бы она была тиксотропической жидкостью в маленьких капельках. В разграничивающем участке между жидкостью, которая протекает, и границами пор молекулы будут становиться "выстроенными в ряд" с некоторыми молекулами в направлении толщины согласно их более высокой или более низкой полярности.

Если жидкость подчиняется воздействию вибраций, таковая достигает состояния, которое относится к капиллярным волнам в текучей среде, и тогда молекулы не будут иметь времени, чтобы устанавливать полярные связи. Тиксотропический слой становится тоньше, и нефть будет протекать гораздо легче. Это явление взаимодействует с колебательным движением ионов в тех же самых поверхностях и, таким образом, будет налагаться на капиллярные волны, созданные вибрациями.

Энергия в звуковой волне, которая поглощается коллектором, будет трансформироваться в тепло и, поэтому, будет повышать давление газа в качестве следствия частичного испарения, уже упомянутого ранее, вместе с электрическим воздействием.

Большое преимущество состоит в том, что теплота выделяется в самом нефтяном коллекторе и что она не должна передаваться вплоть до этих пластов теплопроводностью посредством теплонесущей среды, такой как водяной пар, горячая вода или эквивалентная среда.

Во время прорыва воды в эксплуатационные скважины обычно происходит удерживание большого количества нефти в коллекторе вследствие действия капиллярных сил. Добыча нефти уже осуществлялась в этих условиях посредством звукового воздействия, однако, требовалось использовать сильные вибрации (5-10 g).

Способ и устройство, согласно изобретению, позволяют увеличить добычу нефти из скважин, эксплуатировавшихся длительное время, с установленным в них оборудованием стандартного типа.

Это означает, что этот процесс допускает использование обычных оборудования, сооружений и инструментов для добычи нефти и что находящаяся на поверхности электрическая система пользуется обычным оборудованием, таким как промышленного типа трансформаторы, которые являются доступными на рынке.

Способ и устройство позволяют решить следующие проблемы:
1. Диссипация (рассеяние) энергии в горных породах.

2. Проводимость энергии вплоть до вибраторов.

3. Контроль общего расхода энергии.

4. Получение электрического и акустического соединения с обсадной колонной скважины и с нефтяным коллектором таким образом, чтобы можно было обходиться без проводящей жидкости.

5. Доступность вибратора, который является простым, долговечным и лишенным нестабильности, которая является обычной в уже известных типах вибраторов.

Настоящее изобретение является применимым практически к любому типу нефтяного коллектора.

Формула изобретения

1. Способ увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора, включающий подачу электрического тока к нефтяному коллектору и к вибратору для одновременного электрического и вибрационного воздействия на нефтяной коллектор, отличающийся тем, что в скважине над нефтяным коллектором предварительно создают изоляционный мост путем выполнения полости вырезанием части обсадной колонны и заполнением этой полости изолирующим материалом, подачу электрического тока к нефтяному коллектору осуществляют по части обсадной колонны, расположенной ниже изоляционного моста, через механические или гидроприводные соединители, установленные на вибраторе, закрепленном на нижней части эксплуатационной колонны, а подачу электрического тока к механическим или гидроприводным соединителям осуществляют непосредственно от вибратора или по электрическому проводнику, связывающему вибратор с гидроприводными соединителями, расположенными над изоляционным мостом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу электрического тока к вибратору или к гидроприводным соединителям, расположенным над изоляционным мостом, осуществляют по электрическому кабелю, установленному в кольцевом промежутке между эксплуатационной и обсадной колоннами.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу электрического тока к вибратору или к гидроприводным соединителям, расположенным над изоляционным мостом, осуществляют по эксплуатационной колонне, которую центрируют внутри обсадной колонны с помощью изолированных центраторов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу электрического тока к вибратору или к гидроприводным соединителям, расположенным над изоляционным мостом, осуществляют по изолированной обсадной колонне.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрационное воздействие на нефтяной коллектор осуществляют путем использования энергии первоначального возвратно-поступательного перемещения подвижного органа вибратора для возбуждения колебаний его рабочих элементов, которые изменяют первоначальное направление распространения колебаний и/или усиливают их.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что направление распространения колебаний изменяют на угол приблизительно 90^o по отношению к их первоначальному направлению распространения, а усиление колебаний осуществляют путем столкновения рабочих элементов подвижного органа вибратора для создания колебаний, соответствующих акустическим характеристикам коллектора.

7. Устройство для увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора, содержащее размещенные в скважине электромеханические вибраторы с удлиненными корпусами, электрически связанные с источником импульсной электрической энергии, отличающееся тем, что электромеханические вибраторы выполнены с возможностью размещения в обсадной колонне скважины, подвижный орган вибратора и его рабочие элементы выполнены с возможностью смещения относительно друг друга на угол приблизительно 90^o под действием возбуждения, возникающего при подаче импульсной электрической энергии к вибратору, для воздействия на обсадную колонну скважины колебаниями в соответствии с акустической характеристикой нефтяного коллектора.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что электромеханические вибраторы выполнены с возможностью создания колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подвижный орган вибратора выполнен в виде штанги, а рабочие элементы в виде V-образных подвижных обойм, прикрепленных к штанге.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подвижный орган вибратора выполнен в виде гибкой трубы, снабженной в нижней своей части закрывающим ее колпаком, а в верхней части поршнем, выполненным с возможностью воздействия на жидкость, заключенную в этой трубе.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подвижный орган вибратора выполнен в виде гофрированной трубы из нержавеющей стали, или в виде шланга из силикона, наполненных токопроводящей жидкостью, или из стальной трубы с прикрепленными к ней токопроводящими элементами и имеет соединительное средство.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что электромеханический вибратор выполнен с возможностью горизонтального смещения рабочего органа под действием возбуждения, возникающего при подаче импульсной электрической энергии от источника переменного или постоянного тока, или от конденсаторов, трансформаторов, или от магнитных катушек.

13. Устройство по п.7, отличающееся тем, что электромеханический вибратор выполнен с возможностью вертикального смещения рабочего органа под воздействием возбуждения, возникающего при подаче импульсной электрической энергии к вибратору от источника переменного или постоянного тока, или от конденсаторов, трансформаторов или магнитных катушек.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28