Технологические схемы объемного волнового воздействия

Обоснование практически любой схемы волнового воздействия связано с теми или иными моделями фильтрационных процессов в пласте, которые могли бы быть оптимизированы за счет применения такого воздействия.

Подавляющее большинство технологий волнового воздействия основано на представлениях о преобладающем влиянии фильтрационно-ёмкостных свойств призабойной зоны (определяемых часто величиной скин-эффекта), на показатели работы скважин.

Не требует дополнительного обоснования тот факт, что с ухудшением ФЕС ПЗП вследствие её кольматации при вскрытии пласта, а так же за счет выноса твердых частиц и продуктов окисления нефти в процессе разработки, связаны наиболее очевидные причины падения добывных возможностей скважин. В связи с этим, все последние годы в России и за рубежом интенсивно развиваются технологии воздействия на призабойную зону, число которых составляет многие десятки.

Однако, такие представления не учитывают в полной мере все факторы, вызывающие снижение производительности скважин, особенно в дальней зоне пласта. Динамика взаимодействий в системе скважина-пласт предопределяет возникновение более масштабных явлений, влияющих на принципиальные вопросы работы продуктивных пластов, определяемые коэффициентом продуктоизвлечения, уровнем остаточных запасов, обводненностью пласта, и др.

Оптимизация процессов, связанных с этими и другими качественными показателями, решается обычно различными технологиями заводнения пласта, водогазового, теплового воздействия, сухого и влажного внутрипластового горения, и др. Доказанная эффективность этих технологий не исключает, тем не менее, существенных их недостатков: трудоёмкость, высокая стоимость, возникновение побочных эффектов (прорыв пластовых вод, образование «языков», и т.д.). Естественно, что устранение этих факторов или хотя бы снижение их влияния обосновывает необходимость разработки сопровождающих технологий, характеризующихся мобильностью, уме ренной затратностью и возможностью комплексирования, кроме названных, и с другими традиционными технологиями. Решение такой задачи предпринято в рамках данной работы посредством теоретического обоснования и практической разработки круга вопросов технологии объёмного волнового воздействия.

Главной задачей, стоявшей перед разработчиками этой технологии, являлось обеспечение высокой энергоёмкости волновых процессов, возбуждаемых в значительных объёмах пласта, включающих тупиковые зоны, целики, участки защемленного газа, блокированные зоны, и др.

В разделе 4 рассматривались способы фокусирования волновой энергии в дальних зонах пласта, в которых могли бы присутствовать эти объекты. В частности, были даны способы определения эффективной зоны пласта на основе интеграла Кирхгофа, а так же способы увеличения энергии волнового инициирования за счет создания в пласте каналовых волн и мощного рассеянного излучения. Полученные результаты легли в основу технологии объёмного волнового воздействия (ОВВ).

Мотивация способа объёмного волнового воздействия основана на следующих геолого-технологических предпосылках:

отбор скважиной углеводородов осуществляется, главным образом, из зоны питания скважины. Её радиус зависит от коллекторских свойств пласта, определяется для каждого месторождения конкретно и составляет в среднем около 400 м (200-800 м в разных случаях);

интенсивный отбор углеводородов способствует быстрому продвижению нефте (газо)- водяных контактов, что приводит к усиленному подъёму и прорыву воды к забоям скважин. В результате в скважины вместе с нефтью и газовыми фракциями начинает поступать вода, и в прискважинной зоне пласта образуются конусы обводнения, блокирующие приток нефти или газа вплоть до полного обводнения скважины, несмотря на наличие в пласте ещё больших количеств нефти или газа;

интенсивный некомпенсированный отбор продукции из пласта приводит к образованию депрессионных воронок - областей с пониженным давлением, а при разработке нефтегазовых месторождений - к подтягиванию газовых конусов. Это явление крайне отрицательно сказывается на производительности скважины.

Очевидно, что устранение или минимизация указанных явлений требует интенсификации фильтрационных процессов в зоне питания (отбора).

Существующие технологии волнового воздействия не позволяют решить эту задачу, так как основаны на лишь локальном воздействии на призабойную зону пласта и не могут применяться для инициирования в целом дальней или любой другой заданной, значительной по размерам зоны пласта.

Для осуществления разрабатываемого способа необходимо сосредоточить в процессе воздействия максимальную плотность волновой энергии в границах заданной области пласта. Границами этой области может быть либо контур зоны питания скважины, либо граница депрессионной воронки или конуса обводненности.

Для определения области, ограниченной волновым фронтом, в которой сосредоточена максимальная энергия поля, используется формула, вытекающая из уравнения Кирхгофа:

R=(cTh)0'5, (5.1)

где R - радиус области Кирхгофа;

с,Т - скорость и период волны;

h - расстояние от источника волнового поля.

Из уравнения следует, что радиус оптимальной энергетической области зависит от длины волны (с 7) и расстояния до источника поля h.

Следовательно, для обеспечения концентрации энергии в зоне пласта радиуса R необходимо устанавливать волновой излучатель, возбуждающий поле с длиной волны Л, определяемой его конструктивными особенностями, на глубине, получаемой из выражения:

р2

Ни = hn„ -S,S = y, (5.2)

где Ни - глубина установки источника;

h „л - глубина пласта;

S - расстояние источник-пласт;

R - радиус области Кирхгофа;

Л - длина волны.

В то же время, практические работы по волновому воздействию ставят задачу о концентрации максимальной мощности волнового воздействия в заданной области (обычно, в зоне отбора скважины, депрессионной воронки, и др.), которые характеризуются величиной (радиусом М ) круга, аппроксимирующего эту область.

В этом случае накладывается условие равенства этой зоны эффективной зоне R2

по Кирхгофу М =R= (Л-S ), которое выполняется при 5=—.

Это условие инвариантно к размерам зоны при лучевом подходе и является оптимальным с энергетической точки зрения при R > М, однако, в случае R < М плотность потока энергии для зоны М меньше, чем для эффективной зоны R. Устранение этого недостатка возможно путем увеличения мощности излучателя, что ограничено габаритами волнового источника, привязанными к диаметру скважины. Поэтому в данном способе задача увеличения энергоёмкости возбуждения пласта решается за счет многократного волнового воздействия, обеспечивающего необходимую суммарную мощность инициации объекта за счет накопления мощности единичных воздействий.

С другой стороны, максимальное воздействие собственно на пласт достигается за счет возбуждения в нем стоячей волны. Возникновение в пласте стоячей волны происходит за счет интерференции встречных волн, отраженных от кровли и подошвы пласта. Характер интерференции зависит от соотношения между длиной волны и мощностью пласта. В том случае, когда прямая и отраженная волны складываются «синфазно» (в фазе), происходит, так называемая, «конструктивная интерференция», и мощность суммарной волны существенно возрастает (практически удваивается). В случае же противофазного сложения волн происходит взаимное подавление волн («интерференция на нуль»).

В первом случае в пласте возникают стоячие волны - слабозатухающий волновой процесс с одинаковой частотой и фазой в разных точках пласта, но с разной амплитудой.

Возникновение стоячей волны в пласте, имеющем мощность h, обеспечивается выполнением условия h = (2п -1) Л/4, п = 1, 2, .... , где Л - длина волны.

В тех точках пласта, где амплитуда волны равна нулю в любой момент времени, образуются узлы стоячей волны. В тех точках, где амплитуда колебаний наибольшая, образуются пучности стоячей волны.

Принципиальной особенностью стоячей волны (применительно к технологии волнового воздействия) является равенство нулю потока энергии ,т.е. стоячая волна не переносит энергию (в отличие от бегущей волны).

Каждый объём пласта на интервале, равном Л/4, не обменивается энергией с соседними участками, т.е. его энергия постоянна. При этом в каждом таком участке происходит дважды за период превращения кинетической энергии, сосредоточенной около пучности смещения, в потенциальную, сосредоточенную преимущественно около узла смещения. При этом узлы деформации стоячих волн образуют в пласте периодические акустические дифрагирующие структуры.

Таким образом, при волновом воздействии в пласте с интервалом, равным Л/4, образуются чередующиеся области максимальных и минимальных деформаций горных пород, создаваемых возбужденной в пласте стоячей волной.

Пульсирующие зоны разнонапряженного состояния коллектора создают микроперепады пластового давления с интервалом времени, равным полупериоду стоячей волны. Это создаёт следующие эффекты:

- проталкивание углеводородов через застойные или блокированные зоны пласта за счет преодоления барьерного давления возникающими периодическими импульсами динамического давления;

снижение конусов обводненности за счет возникающих вертикальных и тангенциальных сил импульсного давления в нефтегазовой и водной фракциях;

ликвидация или уменьшение депрессионных воронок за счет возникновения в их пределах импульсного давления, интегрированного по времени (длительности) проведения волнового воздействия.

Таким образом, технология объёмного волнового воздействия по этому способу обеспечивает:

- фокусирование энергии воздействия на значительные по площади участки пласта, включающие либо зону отбора, либо область депрессионной воронки, либо конус обводненности;

- воздействие непосредственно на пласт, которое приводит к генерированию его резонансного амплитудного отклика и образование новой энергетической дифракционной микроструктуры в пласте.

Очевидно, что совмещение этих двух компонентов в единый технологический цикл должно привести к принципиально новому синэнергетическому эффекту.

Выполнение условия одновременной реализации этих двух эффектов- площадного и внутрипластового воздействия достигается при выполнении следующего соотношения, полученного с учетом формул 3.20, 5.1, 5.2:

р2

н = h,n - , (5.3)

Л 44/1 ’ V '

где II - глубина точки возбуждения волнового поля в горной среде;

h пд - глубина залегания продуктивного пласта;

R - радиус целевой зоны (контура питания скважины, и др.);

Д h - мощность продуктивного пласта.

Идея способа и его техническая реализация приведены на рисунке 5.1.

Технологическая схема ОВВ

Рисунок 5.1 - Технологическая схема ОВВ

В скважине установлен волновой источник 1, возбуждающий поле падающих волн 3, переотраженных в пласте 2 волн 7, образующих стоячую волну с узлами 6, и головную волну 8. Эффективная область по Кирхгофу обозначена цифрой 4, а область турбулизации пограничного течения - цифрой 5.

Важной составляющей частью этой технологии является возможность использования широкого волнового состава сложного поля упругих колебаний, возбужденных в геосреде при волновом воздействии. В разделе 4 говорилось об особом вкладе поперечных волн в интенсификацию процессов продуктоотдачи. Это объясняется тем, что распространение поперечных волн сопровождается сдвиговыми деформациями, в результате чего снижается фильтрационное сопротивление коллектора, а так же, что особенно важно, разрушаются силы межфазного сцепления и снижается риск прилипания капель нефти, пузырьков газа и частиц конденсата к стенкам капилляров.

Создание волновых источников специально для возбуждения поперечных волн в геосреде принципиально невозможно, т.к. из-за анизотропии свойств и т.н. естественной направленности слоистых горных пород, работа волнового источника всегда сопровождается совместным возникновением продольной и поперечной волны. Вследствие этого, вектор смещения в любой точке среды в любой момент времени может быть представлен в виде безвихревого Up и соленоидального Us смещений: U=UP+Us

Up = grad <р, Us = rot ф (5.4)

Условие div ф =0, являющееся достаточным для соленоидалыюсти вектора ф. при волновом воздействии не может быть реализовано технически, и между компонентами ир и Us поля всегда существуют упругие связи. Таким образом, можно ставить задачу о создании преобладающей компоненты поля, в данном случае Us, посредством задания сил и моментов, действующих на источник и определяющих вид генерируемых им колебаний. Это достигается установкой специальных спиральных насадок на скважинном волновом источнике, преобразующих вертикальную силу гидроудара в тангенциальное воздействие (патент № 2357073).

Другие требования к источникам поля связаны с обеспечением возбуждения упругих волн в широком диапазоне частот. Это объясняется тем, что амплитудно-частотные характеристики пласта - коллектора никогда не бывают достаточно хорошо известны, и выбор надежных значений резонансной (доминантной, по другой терминологии) частоты воздействия на промысловый объект в принципе невозможен. Решение этого вопроса в технологии ОВВ достигается за счет применения источника ударного типа. Как известно, спектр упругого поля такого происхождения содержит очень широкую (в принципе бесконечную) полосу частот. При наложении такого поля на пласт последний, подобно резонатору, сам «выбирает» частотную составляющую поля, совпадающую с его собственной частотой, и возбуждается именно на этой частоте.

В то же время, широкополосное воздействие приводит к определенным потерям мощности волнового излучения через боковые области спектра. Эти потери снижают за счет многократного возбуждения поля и суммирования энергии единичных воздействий. Тогда суммарная энергия Е определится как сумма энергии п единичных воздействий с/?к:

Е =ГМ/ (5.5)

Эффективность ОВВ определяется так же типом упругих волн, воздействующих на пласт (головные, рефрагированные, и др.). Возбуждение данного типа волны обеспечивается специальным расположением (установкой) волнового источника относительно продуктивного пласта. В частности, ликвидация пограничных застойных зон и инициирование пограничных течений решается посредством возбуждения интенсивной головной волны на рисунке 5.2 а, при падении первичной волны на границу пласта под углом полного внутреннего отражения. При установке волнового источника непосредственно в пласте (рисунок 5.2 б) возникает явление самофокусировки волновой энергии, переносимой каналовой волной в продуктивном пласте -

волноводе.

ВИ - волновой источник; 1 - головная волна; 2 - застойная зона; 3 — турбулизация;

4 — эпюры напряжений

Рисунок 5.2 - Инициирование застойных зон и самофокусировка волны

а) - срыв, б) - самофокусировка

Выводы к пятому разделу

Из рассмотрения теоретических основ технологии интерференционного волнового воздействия следует, что практическая её реализация должна обеспечивать одновременное выполнение нескольких условий :

  • - фокусирование энергии воздействия на пласт в эффективной области, размер которой определяется из интегральной формулы Кирхгофа;
  • - создание в пласте устойчивого поля стоячих волн со стационарными узлами упругих деформаций ;
  • - обеспечение процесса самоорганизации акустических структур пласта -дифракционных акустических решеток, образованных узлами деформации (напряжения);
  • - создание в пласте резонансов: ударного, гармонического и биений.

Реализация этих условий обеспечивается путём расчета геометрических и частотно-энергетических характеристик системы объёмного волнового воздействия.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >