Способ волнового воздействия на залежь и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при эксплуатации скважин с низким дебитом для повышения эффективности нефтедобычи без вывода их из эксплуатации. Способ заключается в периодическом воздействии через обсадную колонну труб на продуктивный пласт нагрузками. Воздействие осуществляют в процессе работы штатного штангового насоса, который устанавливают в насосно-компрессорных трубах (НКТ). Предварительно НКТ анкеруют к обсадной колонне труб в интервале продуктивного пласта, или выше, или ниже него. Высоту зоны анкерования вдоль обсадной колонны выбирают удовлетворяющей определенному условию. Устройство содержит подъемный механизм в виде станка-качалки, колонну штанг, связанную одним концом со станком-качалкой, а другим с плунжером насоса, установленным внутри НКТ, обсадную колонну труб. Введен якорь для передачи воздействия на залежь, который установлен между НКТ и обсадной колонной труб и прикреплен к стенкам НКТ и обсадной колонны труб. Использование изобретения позволяет повысить эффективность нефтеотдачи без исключения скважин из эксплуатации на период волнового воздействия. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при эксплуатации скважин с низким дебитом для повышения эффективности нефтедобычи без вывода их из эксплуатации.

Известен способ волнового воздействия на залежь и устройство для его осуществления, в которых создают упругие колебания в нефтенасыщенном пласте путем нанесения ударов через забой скважины [1].

В этом способе удары производят падающим грузом по наковальне, которую устанавливают на уровне нефтенасыщенного пласта.

Ограничением способа является необходимость вывода скважины из эксплуатации на период волнового воздействия на залежь.

Наиболее близким является способ волнового воздействия на залежь, включающий периодическое воздействие через обсадную колонну труб на продуктивный пласт нагрузками, в том числе в интервале расположения продуктивного пласта [2].

В этом способе периодические удары по забою скважины осуществляют с силой, не превышающей ее предельного значения для упругой деформации цементного камня в заколонном пространстве, при этом в скважинах, переводимых с нижнего горизонта эксплуатации на верхний, устанавливают цементный мост на уровне или ниже подошвы продуктивного пласта верхнего горизонта, в отработанных скважинах механизированного фонда, оборудованных или предназначенных под оборудование станками-качалками, устанавливают цементный мост выше зоны перфорации, а скважины, выходящие из бурения, оставляют неперфорированными.

В этом способе скважина, используемая для волнового воздействия на залежь, также исключается из эксплуатации на период волнового воздействия на залежь, длительность которого может исчисляться несколькими месяцами, кроме того, для реализации способа требуется обустройство скважин дополнительным оборудованием.

Известное устройство для волнового воздействия на залежь содержит подъемный механизм в виде станка-качалки, насосно-компрессорные трубы, колонну штанг, связанную одним концом со станком-качалкой, а другим с плунжером насоса, установленным внутри насосно-компрессорной трубы, обсадную колонну труб. [2].

Устройство также содержит цилиндр с посадочным седлом, установленный на конце колонны насосно-компрессорных труб, а плунжер установлен с возможностью выхода из цилиндра в верхнем положении станка-качалки, центратор, установленный между колонной насосно-компрессорных труб и цилиндром, подзарядный узел, предназначенный для установки на устьевой арматуре скважины, и емкость, предназначенную для установки на дневной поверхности.

В этом устройстве при ходе плунжера вверх происходит сжатие жидкости в насосно-компрессорных трубах. В крайнем верхнем положении станка-качалки сжатая жидкость из насосно-компрессорных труб сбрасывается в эксплуатационную колонну. В момент сброса жидкости в эксплуатационной колонне образуется ударная волна, которая достигает забоя скважины и наносит по нему удар.

Таким образом, ограничением этого устройства является то, что упругие волны, возбуждаемые в скважине, распространяются по всей ее длине, что приводит к потерям энергии и не полной передаче ее на залежь. Кроме того, устройство имеет сложную конструкцию.

Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности нефтедобычи без исключения скважины из эксплуатации на период волнового воздействия .

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - повышение эффективности волнового воздействия на залежь.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - повышение дебита скважины без вывода ее из эксплуатации, упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи в известном способе волнового воздействия на залежь, включающем периодическое воздействие через обсадную колонну труб на продуктивный пласт нагрузками в том числе в интервале расположения продуктивного пласта, согласно изобретению воздействие осуществляют в процессе работы штатного штангового насоса, который устанавливают в насосно-компрессорных трубах, и которые предварительно анкеруют к обсадной колонне труб в интервале не далее 300 м от продуктивного пласта, при этом высоту h зоны анкерования вдоль обсадной колонны выбирают удовлетворяющей условию (h)^1/2/h ≅ 2πRτ_s/kF, (1) где π = 3,14; R - внутренний радиус обсадной колонны труб, [м]; τ_s - усталостный предел прочности цементного камня на сдвиг, [H/м²]; k = 1,05 м^-1/2 - коэффициент, определенный расчетным путем, обеспечивающий запас по прочности цементного камня; F - нагрузка, периодически действующая на насосно-компрессорные трубы, [H].

Для решения поставленной задачи в известном устройстве для волнового воздействия на залежь, содержащем подъемный механизм в виде станка-качалки, насосно-компрессорные трубы, колонну штанг, связанную одним концом со станком-качалкой, а другим с плунжером насоса, установленным внутри насосно-компрессорной трубы, обсадную колонну труб с зоной перфорации, согласно изобретению введен якорь, в качестве насоса выбран штатный штанговый насос, якорь закреплен между насосно-компрессорной трубой и обсадной колонной труб на уровне зоны перфорации или в интервале, удовлетворяющем условию L/R ≅ 4000, где L - расстояние расположения якоря относительно зоны перфорации вдоль продольной оси обсадной колонны труб, а R - внутренний радиус обсадной колонны труб, причем соотношение высоты h зоны закрепления якоря вдоль продольной оси обсадной колонны труб к R выбрано удовлетворяющим условию (h)^1/2/hR ≅ 2πτ_s/kF. Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы был введен пакер; якорь и/или пакер был выполнен гидравлическим, и якорь установлен над штанговым насосом; якорь и/или пакер был выполнен механическим, и якорь установлен под штанговым насосом; для последнего варианта был введен по меньшей мере один центратор, установленный на хвостовике насосно-компрессорной трубы.

За счет установки якоря между колонной насосно-компрессорных труб и обсадной колонной труб на уровне продуктивного пласта или в указанном от него интервале с зоной взаимодействия между ними, удовлетворяющей также описанному выше условно, удалось решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает устройство для волнового воздействия на залежь при выполнении якоря гидравлическим и установки его над штанговым насосом; фиг. 2 - то же, что фиг. 1, вариант выполнения якоря механическим и установки его под штанговым насосом.

Поскольку заявленный способ реализуется при работе устройства для волнового воздействия на залежь, то описание способа приведено при изложении раздела описания работы устройства.

Устройство (фиг. 1 и 2) включает подъемный механизм в виде станка-качалки (на фиг. 1 и 2 не показан), насосно-компрессорные трубы 1 (НКТ), колонну штанг 2, связанную одним концом со станком-качалкой, а другим с плунжером насоса 3, установленного внутри насосно-компрессорной трубы 1. Устройство также содержит обсадную колонну труб 4, на фигуре 1 также показана зона перфорации с отверстиями 5 и цементный камень 6.

Введен якорь 7 для передачи воздействия на залежь. В качестве насоса 3 может быть выбран любой штатный штанговый насос, используемый при эксплуатации скважин. Якорь 7 (фиг. 1, 2) установлен между насосно-компрессорной трубой 1 и обсадной колонной труб 4 на уровне зоны перфорации, под ней или над ней, преимущественно на уровне продуктивного пласта или не далее 300 м от него и прикреплен к стенкам насосно-компрессорной трубы 1 и обсадной колонны труб 4. Соотношение высоты h зоны закрепления якоря 7 вдоль продольной оси осадной колонны труб 4 и радиуса R обсадной колонны труб 4 выбрано удовлетворяющим условию (h)^1/2/hR ≅ 2πτ_s/kF.
Наименование величин, входящих в это соотношение приведено ранее при описании формулы (1). На фиг. 1 и 2 также условно показан продуктивный пласт 8.

Устройство (фиг. 1, 2) работает следующим образом.

При работе станка-качалки колонна штанг 2, совершая возвратно-поступательное движение, приводит в периодическое движение плунжер штангового насоса 3. При ходе колонны штанг 2 вверх перепад гидродинамического давления в жидкости, находящейся в НКТ 1 над насосом 3 и поднимаемой им до дневной поверхности, и давления в жидкости, находящейся под насосом 3, определяемого динамическим уровнем в скважине, нагружает колонну штанг 2. При движении штанг 2 вниз и происходящем при этом переключении клапанов насоса 3 происходит ударное перераспределение нагрузки с колонны штанг 2 на колонну НКТ 1, вызывая их растяжение. При анкеровании НКТ 1, т.е. закреплении якоря 7 для передачи волнового воздействия между НКТ 1 и обсадной колонной труб 4, ударная нагрузка передается на нее, цементный камень 6 и горную породу. Таким образом, якорь 7, установленный на колонне НКТ 1 на уровне продуктивного пласта или вблизи него, является источником излучения упругих волн в продуктивный пласт и в горную породу вокруг него.

В качестве якоря 7 может быть использована любая известная конструкция, поскольку она обеспечивает жесткую связь между НКТ 1 и обсадной колонной труб 4. Однако возможно введение в устройство и пакера (на фиг. 1 и 2 не показан), в этом случае он обеспечивает возбуждение колебаний гидродинамического давления в подпакерной зоне, обусловленное работой штангового насоса 3. В этом случае высота h зоны анкерования для каждого элемента может быть определена по указанной формуле с учетом доли нагрузки, приходящейся на каждый из этих элементов. Нагрузка в этом случае определяется не только перепадом гидродинамического давления на штанговом насоса 3, но и колебаниями гидродинамического давления в подпакерной зоне. При использовании якоря 7 гидравлического действия его устанавливают над штанговым насосом 3 (фиг. 1). Если используется якорь механического действия, для установки которого не требуется перепада гидродинамического давления внутри НКТ 1 и в затрубном пространстве, то он может быть установлен как выше (фиг. 1), так и ниже (фиг. 2) штангового насоса 3. В случае установки его ниже штангового насоса 3 якорь 7 устанавливают на специальной колонне труб - хвостовике 9 (фиг. 2), причем если длина хвостовика 9 значительна, в колонне НКТ 1 и в хвостовике необходимо установить центраторы 10 для предотвращения изгибной деформации хвостовика и потерь импульса.

В результате расчетов напряженно-деформированного состояния цементного камня 6 в зоне установки якоря 7 определено, что максимальное напряжение сдвига τ, развиваемое в цементном камне 6 для реального диапазона значений упругих модулей цементного камня, труб, геометрических параметров, такие как радиус и толщина колонны обсадных труб 4 и тому подобное, может быть описано с практически достаточной точностью соотношениями
τ ≅ Tk(h)^1/2; k = 1,05 м^-1/2,
где T - среднее касательное напряжение на внутренней стенке обсадной колонны труб 4 в зоне установки устройства 7, [H/м²];
h - общая высота зоны контакта устройства 7 с обсадной трубой 4, [м].

Из этой формулы следует, что для предотвращения разрушения цементного камня 6 при многократном воздействии нагрузки необходимо, чтобы напряжение τ не превышало предела усталостной прочности цементного камня 6 на сдвиг τ_s. Поскольку напряжение T определяется выражением T = F/2πRh, то выражение для определения предельно допустимой нагрузки имеет вид
Fk(h)^1/2/2πRh ≅ τ_s.
Отсюда легко определяется выражение для высоты h зоны анкерования устройства 7 при реализации способа или общей высоты зоны контакта якоря 7 с обсадной трубой 4
(h)^1/2/h ≅ 2πRτ_s/kF.
Величина k · (h)^1/2 служит коэффициентом, связывающим максимальное значение сдвиговых напряжений в цементном камне 6 со средним касательным напряжением на стенке колонны обсадный труб 4. Численное значение коэффициента k определено расчетным путем.

Условие расположения зоны анкерования и интервале продуктивного пласта или не далее 300 м от него получено на основании анализа эффективности воздействия источника упругих колебаний на продуктивный пласт. Наиболее эффективно располагать источник упругих колебаний на уровне продуктивного пласта, а при его установке далее 300 м, как показывают расчеты, происходит значительная потеря упругой энергии. Соответственно, для реальных диаметров скважин получено условие для отношения L/R для объекта изобретения - устройства.

Поскольку применение штатного штангового насоса 3 для осуществления предложенного способа является неочевидным, покажем такую возможность на практическом примере.

Пусть выбрана скважина, для которой возможен спуск штангового насоса 3 на глубину продуктивного пласта 8. Предел допустимого напряжения τ_s в цементном камне 6 определен величиной в 0,2 МПа. Стандартный внутренний диаметр осадной трубы 4 пусть равен 0,134 м. При использовании якоря 7 с плашками, расположенными в один ряд высотой 0,06 м, предельно допустимая нагрузка определяется равенством F_max = τ_s2πRh/k(h)^1/2 = 1,964·10⁴H.
При перепаде давления на насосе 3 в процессе эксплуатации в 10 МПа, допустимая площадь плунжера насоса 3 составит величину 0,00196 м².

Для получения максимального эффекта желательно для высоты h, заданной конкретными параметрами якоря 7, выбирать штатные штанговые насосы 3 с площадью плунжера максимально близкой к 0,00196 м².

Таким образом, зная площадь плунжера штангового насоса 3, применяемого на конкретной скважине, можно определить высоту h для якоря 7, при которой не происходит нарушение нормального функционирования оборудования при откачке нефти и разрушение цементного камня 6, а также оказывается максимальное волновое воздействие на продуктивный пласт 8. Стандартным методом определяется компоновка НКТ 1 и штанг 2, спускаемых для эксплуатации скважины на глубину продуктивного пласта 8, в интервале которого устанавливается якорь 7. Скважина запускается в эксплуатацию, при этом совместно с добычей нефти будет осуществлено дополнительное волновое воздействие на пласт. За один период качания станка-качалки будет происходить два акта ударного воздействия на залежь - при нагрузке и разгрузке обсадной трубы 4 без разрушающего воздействия на цементный камень 6.

Наиболее успешно заявленный способ волнового воздействия на залежь и устройство для его осуществления могут быть использованы в нефтедобывающей промышленности при эксплуатации скважин с одновременным осуществлением волнового воздействия на залежь.

Источники информации:
[1] . Авторское свидетельство СССР N 1710709, E 21 B 43/25, опубл. 07.02.92 г.

[2] . Патент Российской Федерации N 2075596, E 21 B 43/25, опубл. 20.03.97 г.

Формула изобретения

1. Способ волнового воздействия на залежь, включающий периодическое воздействие через обсадную колонну труб на продуктивный пласт нагрузками, в том числе в интервале расположения продуктивного пласта, отличающийся тем, что воздействие осуществляют в процессе работы штатного штангового насоса, который устанавливают в насосно-компрессорных трубах, и которые предварительно анкеруют к обсадной колонне труб в интервале не далее 300 м от продуктивного пласта, при этом высоту зоны анкерования вдоль обсадной колонны выбирают удовлетворяющей условию
(h)^1/2/h ≅ 2πRτ_s/KF,
где π = 3,14;
R - внутренний радиус обсадной колонны труб, (м);
τ_s - усталостный предел прочности цементного камня на сдвиг, (Н/м²);
K = 1,05 м^-1/2 - коэффициент, определенный расчетным путем, обеспечивающий запас по прочности цементного камня;
F - нагрузка, периодически действующая на насосно-компрессорные трубы (Н).

2. Устройство для волнового воздействия на залежь, содержащее подъемный механизм в виде станка-качалки, насосно-компрессорные трубы, колонну штанг, связанную одним концом со станком-качалкой, а другим - с плунжером насоса, установленным внутри насосно-компрессорной трубы, обсадную колонну труб с зоной перфорации, отличающееся тем, что введен якорь, в качестве насоса выбран штатный штанговый насос, якорь закреплен между насосно-компрессорной трубой и обсадной колонной труб и расположен в интервале, удовлетворяющем условию L/R ≅ 4000, где L - расстояние расположения устройства для передачи воздействия на залежь относительно зоны перфорации вдоль продольной оси обсадной колонны труб, а R - внутренний радиус обсадной колонны труб, при этом соотношение высоты зоны закрепления якоря вдоль продольной оси обсадной колонны труб к R выбрано удовлетворяющим условию
(h)^1/2/hR ≅ 2πτ_s/kF.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что введен пакер.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что якорь и/или пакер выполнен гидравлическим, и якорь установлен над штанговым насосом.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что якорь и/или пакер выполнен механическим, и якорь установлен под штанговым насосом.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что введен по меньшей мере один центратор, установленный на хвостовике насосно-компрессорной трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2