Способ повышения производительности добывающей или нагнетательной скважины уменьшением напряженного состояния прискважинной зоны
Изобретение относится к горной гидрогеологической промышленности. Обеспечивает повышение эффективности щелевой разгрузки прискважинной зоны, снижение ее сложности и трудоемкости. Сущность изобретения: по способу осуществляют выявление низкопродуктивных интервалов продуктивного пласта и сооружение в них щелеобразных разгрузочных выработок. Согласно изобретению щелеобразные выработки выполняют винтообразной формы шириной не менее 1/3 диаметра скважины. При этом предварительно определяют углы внутреннего трения для пород, слагающих продуктивный пласт. Шаг винта щелеобразной выработки выбирают таким, чтобы тангенс угла отклонения плоскости щели от вертикали находился в пределах, которые определяют аналитическим выражением. Винтообразную форму обеспечивают отдельными вертикальными парами отрезков выработки. Их выполняют по стадиям снизу вверх в продуктивном пласте. Эти выработки ориентируют радиально в противоположных направлениях от оси скважины и с расположением каждой последующей пары отрезков выработки выше предыдущей пары отрезков.
Область техники
Изобретение относится к горной, конкретно к нефте- и газодобывающей и гидрогеологической промышленности, и предназначено для повышения производительности добывающих и/или нагнетательных скважин путем уменьшения напряженного состояния прискважинной зоны продуктивного пласта.
Уровень техники
Известны способы повышения производительности скважин, применяемые в случаях, если их производительность заметно ниже расчетной. Прорезают вертикальные и горизонтальные разгрузочные щели в стенках ствола скважины, производят гидроразрыв призабойной зоны ствола, обрабатывают призабойную зону ствола пластообрабатывающими реагентами - жидкостями и порошками (например, патент США №3966992, WO94/05898 от 17.03.1994).
Наиболее эффективный из перечисленных способов - разгрузка прискважинной зоны путем прорезания в ней щелей, т.е. образования определенным образом ориентированных щелевидных полостей. Такой способ может увеличить производительность скважины в несколько раз и поддерживать ее в течение длительного времени. Способы гидроразрыва и пластообработки дают меньший эффект, который к тому же обычно недолговечен, что приводит к необходимости периодической повторной обработки скважины. Кроме того, при обработке пласта химическими реагентами значительные сложности возникают при доставке пластообрабатывающего раствора к пласту - большое количество его теряется в процессе нагнетания жидкости в скважину, он изменяет свой состав в этом процессе и может вредно воздействовать на нагнетающую аппаратуру, конструктивные элементы и ствол скважины.
Обычно способы повышения производительности скважин используют совместно, комбинируют. В каждом конкретном случае выбирают последовательность применения способов и экономически и технически оптимальные условия выполнения каждого из них.
Известны многие конкретные реализации перечисленных способов.
Известно сооружение горизонтальных выработок-щелей, расположенных в прискважинной зоне выше и ниже продуктивного пласта (при больших толщинах пласта и в самом пласте). Такие щели за счет формирования куполообразной горной выработки в прискважинной зоне "перемещают" зону опорного давления в глубь пласта (например, Справочная книга по добыче нефти, М., Недра, 1974). Фактически такие выработки увеличивают радиус скважины на глубину формирования щели в местах создания горизонтальных щелей.
Сооружение в околоскважинном пространстве в интервале продуктивного пласта горизонтальных щелей способствует "очистке" зоны кольматации в интервале щелей. В зоне опорного давления значения напряжений близки к значениям крепости пород и создание в такой зоны опорного давления существенно снижает прочностные характеристики горных пород. При создании трещины гидроразрыва в скважине с горизонтальной щелью формирование трещины гидроразрыва произойдет при меньших значениях устьевого давления, а простирание ее в пласте будет более диаметра горизонтальной щели.
Создание в прискважинной зоне двух диаметрально расположенных вертикальных разгрузочных щелевидных выработок глубиной не менее двух диаметров скважины на всю мощность продуктивного пласта, ориентированных перпендикулярно главным напряжениям в пласте (например, Указания по щелевой разгрузке прискважинной зоны, ВНИМИ, Минуглепром, 1987) более эффективно. На концах такой щелевидной выработки создаются концентраторы напряжений, перераспределяющие напряжения в прискважинной зоне. Перераспределение формирует мощную (больше глубины зоны кольматации) зону повышенной проницаемости (разгруженная зона нередко простирается далее 20-30 диаметров скважины от образующей эксплуатационной колонны, ширина же ее равна сумме глубины щелей в каждую сторону плюс диаметр скважины). Граница зоны разгрузки является при создании гидроразрыва инициатором заложения трещины гидроразрыва, такая трещина всегда формируется вне зоны кольматации. Препятствием в осуществлении этого способа является необходимость ориентирования разгрузочных щелей и определения направления главных составляющих напряжений в массиве.
В авт. св. СССР №1502812 от 23.08.1989 предложены винтообразные щелевые выработки, но не описаны средства их осуществления.
Известен также способ, предусматривающий создание в прискважинной зоне двух диаметрально расположенных вертикальных щелевидных выработок глубиной не менее двух диаметров скважины на всю мощность продуктивного пласта, ориентированных перпендикулярно главным напряжениям в пласте, отличающийся тем, что для дополнительной щелевой разгрузки призабойной зоны в скважине образована вторая пара вертикальных щелей, размещенных симметрично относительно скважины, причем вторая пара щелей ориентирована перпендикулярно относительно первой и сооружается глубиной не менее 0,5 глубины основных щелей (WO94/05898 от 17.03.1994).
Оптимизация последнего способа состоит в выборе ширины раскрытия выработки и ее глубины, причем для основных щелевых выработок глубина каждой выработки (L) - не менее 2 диаметров скважины (d) от образующей, а раскрыв t должен быть не менее
t=1,6 γH/Ea; a=2L+d;
где γH - горное давление на глубине H, Е - модуль упругости горных пород, а - суммарный размер скважины и двух щелей: a=2L+d.
Оптимизация размеров второй (дополнительной) пары щелей состоит в выборе их глубины не менее 0,5 глубины основных щелей при том же раскрыве.
Наиболее полно этот способ изложен в международной заявке РСТ/RU93/00101, публикация WO94/05898 7.03.1994. Он выбран в качестве прототипа изобретения по большинству существенных признаков и основному изобретательскому замыслу. Способ предусматривает образование двух пар щелеобразных выработок, симметрично расположенных относительно скважины, причем пары выработок расположены диаметрально друг другу.
Известные методы щелевой разгрузки и их особенности подробно изложены в статье "О притоке жидкости к скважине при использовании различных методов вскрытия продуктивных пластов", А.Н.Иванов и др. Геофизический журнал, №5,1984 г.
При всех достоинствах способа-прототипа - высокая эффективность, экономичность, длительное сохранение результатов разгрузки, ему присущи некоторые принципиальные недостатки:
- сложность, иногда невозможность определения направления векторов сил главных напряжений, перпендикулярно которым надо образовывать щели;
- сложность, а иногда невозможность ориентации создаваемой щели в прискважинной зоне в заданном направлении;
- большая трудоемкость создания разгрузочных полостей, причем без гарантии оптимальности и повышения производительности скважины.
Указанные недостатки не позволяют повысить производительность скважин до их потенциально возможного значения и/или до их расчетной величины.
Задача изобретения
Задача изобретения - повышение эффективности щелевой разгрузки прискважинной зоны, снижение ее сложности и трудоемкости.
Сущность изобретения
Задача решается тем, что в известный способ повышения производительности добывающей или нагнетательной скважины дополнительной горной выработкой в прискважинной зоне продуктивного пласта, предусматривающий выявление низкопродуктивных интервалов продуктивного пласта и сооружение в них щелеобразных разгрузочных выработок, внесены существенные изменения, а именно:
щелеобразные выработки выполняют винтообразной формы, шириной не менее 1/3 диаметра сважины, при этом предварительно определяют углы внутреннего трения для пород, слагающих продуктивный пласт, а шаг винта щелеобразной выработки выбирают таким, чтобы тангенс угла отклонения плоскости щели от вертикали находился в пределах 
где ρ - угол внутреннего трения горной породы, в которой сооружают эту выработку;
ϕ - угол отклонения плоскости щели от вертикали,
при этом винтообразную форму обеспечивают отдельными вертикальными парами отрезков выработки, которые выполняют по стадиям снизу вверх в продуктивном пласте, ориентируют радиально в противоположных направлениях от оси скважины и с расположением каждой последующей пары отрезков выработки выше предыдущей пары отрезков.
Это позволяет исключить операцию ориентирования щелевидных выработок относительно векторов сил главных напряжений массива и обойтись без сооружения пары дополнительных щелей, перпендикулярных основным, поскольку гарантирует, что на протяжении одного витка винтообразной выработки она (щелеобразная выработка), по крайней мере, дважды будет перпендикулярна векторам сил главных напряжений массива.
Задание шага винта щелеобразных выработок в зависимости от углов внутреннего трения ρ для пород, слагающих продуктивный пласт, в соответствии с вышеприведенной формулой обеспечивает эффективность разгрузки.
В продуктивных пластах, для которых рассчитанный по упомянутой формуле тангенс угла отклонения плоскости щели от вертикали ϕ примерно (с допуском 15%) tg(ϕ)=tg(45-ρ/2)±0,15, выработки могут быть сооружены вертикальными, произвольно ориентированными в пространстве, при этом раскрытие щели должно быть не менее 1/3d, где d - диаметр скважины.
Винтообразную щелевую разгрузочную выработку предлагается выполнять отдельными вертикальными отрезками по стадиям снизу вверх, причем вначале сооружают первые вертикальные два отрезка параллельно оси скважины, произвольно ориентированные относительно направления главного напряжения массива - высотой от подошвы продуктивного пласта на 1-2 диаметра скважины, расположенные радиально симметрично относительно оси скважины, затем сооружают вторую пару вертикальных отрезков такой же длины, при этом отрезки второй пары сдвигают по окружности скважины относительно отрезков первой пары на угол α, рассчитанный по формуле
третью и последующие пары отрезков выполняют такой же длины и последовательно сдвигают по окружности скважины относительно предыдущих отрезков в ту же сторону аналогично сдвигу отрезков второй пары относительно первой.
В случае, когда расчетный шаг винтообразной выработки больше толщины пласта, шаг винта выбирают равным толщине пласта.
При бурении скважин, имеющих в пределах продуктивного пласта горизонтальную или пологонаправленную проводку (горизонтальное проложение ствола более 20 диаметров скважины, но не менее мощности продуктивного пласта), направление бурения выбирают перпендикулярно направлению вектора силы главного напряжения массива. Кроме того, на таких горизонтальных или пологонаправленных участках скважины щелеобразные разгрузочные выработки ориентируют вертикально. Стремятся к сооружению щелей глубиной L от стенки эксплуатационной колонны на всю толщину продуктивного пласта (до кровли/подошвы) или не менее 4 диаметров скважины.
Раскрытие сущности изобретения
Сущность изобретения поясняется приведенным ниже примером реализации.
Вначале любыми известными средствами выявляют низкопродуктивные интервалы продуктивного пласта и определяют углы внутреннего трения ρ всех прослоев продуктивного пласта, а также рассчитывают горное давление на глубине залегания продуктивного пласта γН.
Затем рассчитывают шаг винтообразной выработки. Этот шаг должен быть таким, чтобы тангенс угла отклонения плоскости щели от вертикали ϕ находился в пределах 
где ρ - угол внутреннего трения горной породы, в которой сооружается эта выработка, ϕ - угол отклонения плоскости щели от вертикали.
Затем в интервале продуктивного пласта сооружают (например, гидроструей или фрезой) вертикальные горные выработки в форме винтообразной щели.
Винтообразные выработки можно выполнять, например, так:
- выработки сооружают отдельными вертикальными диаметрально расположенными парами отрезков по стадиям снизу вверх продуктивного слоя скважины, причем сначала сооружают первую пару диаметрально расположенных вертикальных отрезков параллельно оси скважины высотой от подошвы продуктивного слоя на 1-2 диаметра скважины и далее сооружают вторую и последующие пары отрезков выработок (щелей) такой же высоты, что и первая пара, причем все они ориентированы радиально, симметрично относительно оси скважины.
Отрезки второй (и/или последующей) пары сдвигают по окружности скважины относительно отрезков первой (и/или предшествующей) пары отрезков в одну и ту же сторону на угол α, рассчитанный по формуле
где d - диаметр скважины; L - глубина выработки (разгружающей полости) от стенки скважины.
В случае слоистого строения продуктивного пласта угол наклона указанной винтообразной выработки выполняют переменным, соответственно углу внутреннего трения каждого прослоя, для этого наклон сопоставляют с заранее определенными значениями угла внутреннего трения. Это обеспечивает максимальную эффективность воздействия разгрузочной выработки на пласт. Если толщина прослоя менее диаметра скважины, изменения наклона не производят, так как в этом случае инструментальная погрешность пространственной ориентации разгрузочных выработок превышает значение необходимого угла наклона.
В прослоях продуктивных пластов со значениями углов внутреннего трения ρ, для которых рассчитанный по упомянутой формуле тангенс угла отклонения плоскости щели от вертикали ϕ примерно (с допуском 15%) равен tg(45-ρ/2), т.е. tg(ϕ)=tg(45-ρ/2) ± 0,15, выработки могут быть сооружены вертикальными, произвольно ориентированными в пространстве, той же глубиной, что и винтообразная часть выработки, и раскрывом (шириной выработки) не менее 1/3d, где d - диаметр скважины.
Таким образом, по нашему мнению, новым в изобретении является:
- выполнение горных выработок в виде винтообразных щелей;
- предварительное измерение углов внутреннего трения ρ по всем прослоям продуктивного пласта;
- выбор шага винта выработки таким, чтобы тангенс угла отклонения плоскости щели от вертикали φ находился в пределах
где ρ - угол внутреннего трения горной породы, в которой сооружается эта выработка;
- выполнение винтообразной щелевой разгрузочной выработки отдельными вертикальными диаметрально расположенными отрезками по стадиям снизу вверх.
При этом в случае слоистого строения продуктивного пласта угол наклона указанной винтообразной выработки выполняют переменным, соответственно углу внутреннего трения каждого прослоя, для этого наклон сопоставляют с заранее определенными значениями угла внутреннего трения. Это обеспечивает максимальную эффективность воздействия разгрузочной выработки на пласт. Если толщина прослоя менее диаметра скважины, изменения наклона не производят, так как в этом случае инструментальная погрешность пространственной ориентации разгрузочных выработок превышает значение необходимого угла наклона.
В прослоях продуктивных пластов со значениями углов внутреннего трения ρ, для которых рассчитанный по упомянутой формуле тангенс угла отклонения плоскости щели от вертикали ϕ примерно (с допуском 15%)
tg(ϕ) = tg(45-ρ/2) ± 0,15, выработки сооружают вертикальными, произвольно ориентированными в пространстве, той же глубиной, что и винтообразная часть выработки, и раскрывом не менее 1/3d, где d - диаметр скважины.
Перечисленные новые операции, их последовательность и условия выполнения приводят к положительному эффекту - повышению производительности любой добывающей или нагнетательной скважины.
Промышленная применимость
Предложенный способ был практически реализован на скважинах Ямбургского газоконденсатного месторождения в г. Ямбург, Россия, и на скважинах Ен-Яхинского нефтегазоконденсатного месторождения в июле - августе 2004 года, г. Новый Уренгой, Россия.
На скважине №30509 на Ямбургском газокондесатном месторождении, г.Ямбург, Россия, в которой при эксплуатации пласта БУ8-1, залегающего в интервале 3140...3148 м, сложенного плотными преимущественно кварцевыми песчаниками на глинисто-карбонатном цементе, было зафиксировано существенное падение производительности скважины в процессе ее длительной (более 10 лет) эксплуатации до 30000 м3 газоконденсатной смеси в сутки. Изучение образцов пород на приборах одноосного сжатия позволило определить угол внутреннего трения в пределах 43°...47°. Были рассчитаны параметры горной выработки: раскрытие выработки (ширина щели) = 0,13...0,18 м; глубина L=0,6...1,0 м; угол отклонения плоскости щели от вертикали ϕ=23°...27°; угол поворота α=35°...43°. В течение 12 часов при помощи гидропескоструйного агрегата специальной конструкции были созданы 8 вертикальных горных выработок со следующими фактическими параметрами: раскрытие выработки: ширина щели = 0,2 м; глубина L=2,0 м; угол отклонения плоскости щели от вертикали ϕ=25°...28°; угол поворота α=38°...42°. Таким образом, винтообразная горная выработка совершила 2 оборота на всю толщину продуктивного пласта. В результате произведенных работ производительность скважины выросла в 2,6 раза и составила 78000 м3 газоконденсатной смеси в сутки.
Была реализована основа изобретения - каждая горная выработка в прискважинной зоне, выполненная вертикально ориентированной, имела винтообразную форму, вследствие чего она непременно дважды на каждом обороте винта пересекла направление векторов сил главных напряжений массива под прямым углом. Именно это и обеспечило такой рост производительности скважины.
Приведенный пример реализации способа - лучший из известных заявителю на дату подачи заявки, но не единственный и не исчерпывающий.
Эксперимент подтвердил выполнимость предложенного способа и достижение поставленных задач - так, по предлагаемому способу было обработано четыре продуктивных пласта в различных скважинах на глубинах 3060-3870 метров средней толщиной 8-10 метров. Во всех случаях значение tg(45-ρ/2) составило 0,6-0,7. В каждом случае была сооружена винтовая щель шагом 1,2-1,3 метра на всю толщину продуктивного пласта. Производительность скважин первоначально составляла 30-60 тысяч кубометров газа в сутки. На всех указанных продуктивных пластах до сооружения разгрузочных щелей по предлагаемой технологии производились работы по интенсификации другими известными способами: кислотными обработками, гидропескоструйной перфорацией и другими. При этом ни один из упомянутых известных способов интенсификации существенного увеличения производительности данных скважин не дал. После обработки скважин по предлагаемому способу производительность увеличилась до 120-160 тысяч кубометров в сутки.
Таким образом, предложенный способ является новым, осуществим известными техническими средствами и обеспечивает достижение поставленной задачи - повышает продуктивность любой нефтяной, газовой, газоконденсатной, гидрогеологической, добывающей или нагнетательной скважины с максимальной простотой и экономичностью.
Способ повышения производительности добывающей или нагнетательной скважины уменьшением напряженного состояния прискважинной зоны, включающий выявление низкопродуктивных интервалов продуктивного пласта и сооружение в них щелеобразных разгрузочных выработок, отличающийся тем, что щелеобразные выработки выполняют винтообразной формы, шириной не менее 1/3 диаметра скважины, при этом предварительно определяют углы внутреннего трения для пород, слагающих продуктивный пласт, а шаг винта щелеобразной выработки выбирают таким, чтобы тангенс угла отклонения плоскости щели от вертикали находился в пределах
где ρ - угол внутреннего трения горной породы, в которой сооружают эту выработку;
φ - угол отклонения плоскости щели от вертикали,
при этом винтообразную форму обеспечивают отдельными вертикальными парами отрезков выработки, которые выполняют по стадиям снизу вверх в продуктивном пласте, ориентируют радиально в противоположных направлениях от оси скважины и с расположением каждой последующей пары отрезков выработки выше предыдущей пары отрезков.
