Применение звукового воздействия в практике нефтедобычи

 

Введение в УОС-1 вихревого генератора звука привело к некоторому снижению величины депрессии, создаваемой этим насосом. Такое снижение депрессии  обусловлено неустойчивостью струй жидкости в звуковом поле. Эта неустойчивость проявляется в распыле поступающей из сопла 6 в камеру смешения 7 жидкой струи. В результате этого факел распыла полностью заполняет камеру смешения 7 струйного насоса, что снижает среднюю скорость движения струи жидкости, и разряжение, обусловленное движущейся струёй жидкости, уменьшается.

Для уменьшения этого эффекта были проведены  эксперименты по выбору оптимальных значений зазора d между соплом струйного насоса и камерой смешения, длиной и диаметром камеры смешения.

 

Рис. 10. Схема стенда для испытаний звукового струйного насоса

 

Отработка оптимальных геометрических размеров камеры смешения проводилась  на стенде, изображённом на рис. 10. Стенд представлял собой заглушенный снизу отрезок обсадной колонны с трубной головкой, в который на отрезке НКТ опускался ЗУОС с пакером. Производилась посадка пакера. Подпакерное пространство соединялось с вакууметром. Через НКТ осуществлялось нагнетание жидкости цементировочным агрегатом ЦА-320М. Наблюдали за величиной разряжения и режимом работы излучателя (ГВД). Результаты испытаний для звукового насоса с диаметром сопла 5,6 мм и расстоянием от среза сопла до входа в камеру смешения в 5 мм приведены в таблице 9.

Из результатов испытаний, приведённых  в таблице, следует, что глубина разряжения, создаваемая струйным насосом, зависит от скорости прокачки (давления прокачки) жидкости через насос. При этом наблюдается как бы два режима работы насоса. Это, во-первых, преимущественная работа струйного насоса при давлении прокачки до 6,0 . 6,5 МПа. При работе на втором режиме, при давлении нагнетания более 6,5 МПа, наблюдается интенсивная работа ГВД при меньшем разряжении в подпакерной зоне.

Таблица 4

Результаты испытания  ЗУОС

Разряжение, МПа	Давление прокачки, МПа	Примечание
0,078 0,066 0,065 0,058 0,052	2,0 4,0 6,0-6,5 8,0 10,0-11,0	Слабый шум Средний шум Устойчивый шут Свист генератора Свист генератора

 

На рис. 11 приведены графики зависимостей величин разряжений, создаваемых струйным насосом, от длины зазора d при различных давления прокачки жидкости. Анализ кривых на рис. 11 показывает, что существует оптимальное расстояние d между соплом и камерой смешения, равное 5 мм, которое даёт максимальное разряжение. Эксперимент проводился для случая, когда рабочей и отбираемой фазой являлся воздух. При испытаниях диаметр сопла составлял 5,6 мм, а диаметр камеры смешения — 18 мм.

Рис. 11. График зависимости разряжения P, создаваемого ЗУОСом,

от длины зазора при  различных давления закачки:

1 – 2 ат, 2 – 4 ат, 3 –  6 ат, 4 – 8 ат

Эксперименты по влиянию длины  камеры смешения на работу устройства показали, что уменьшение длины камеры смешения стабилизирует работу струйного насоса с генератором звука, поскольку в этом случае струя (а точнее, факел) рабочей жидкости выходит за пределы камеры смешения, не касаясь её стенок, что приводит к улучшению работы струйного насоса.

В этом случае диаметр сопла составлял 4 мм, а диаметр камеры смешения 15,5 мм.

На рис. 12 приведены характеристики работы ЗУОСа при двух значениях длины камеры смешения.

Рис. 12. График зависимости величины разряжения, создаваемого      ЗУОСом, от величины давления закачки жидкости при различной длине камеры смешения

 

Рис. 13. График зависимости величины разряжения, создаваемого ЗУОСом, от величины давления закачки жидкости при различных значениях D

Аналогичные результаты получены также  и для случая различных диаметров камеры смешения. На рис. 13 приведены характеристики работы ЗУОСа при различных значениях величины Δ, равной отношению диаметра камеры смешения к диаметру сопла. Длина камеры смешения была равна 120 мм. Как видно из рисунка, существуют такие значения величин Δ = Δ*, при которых разряжение p максимально. Причём, как при Δ < Δ*, так и при Δ > Δ* разрежение не достигает значения p* = p(Δ*). Это связано с тем, что при малых значениях диаметра камеры смешения распыл струи затрудняет подсос жидкости. При больших же её размерах разряжение также мало, поскольку, вследствие удаления от стенки камер смешения истекающей из сопла струи жидкости, мал градиент подсоса инжектируемой жидкости. Поэтому важным параметром является также и гидросопротивление (диаметр) канала, подающего жидкость в камеру смешения.

Испытание устройства в «Пермоблнефть» показало его высокую эффективность.

Покажем это на примере освоения скв. №303 Травнинского месторождения.

Скважина закончена бурением 08.05.99.

Пласт: Башкирский ярус, карбонатный.

Глубина залегания: 1368,5 – 1371,5 м; 1374,0 – 1377,0 м; 1378,0 – 1381,0 м.

Параметры пластовой жидкости: плотность – 854 кг/м³; газовый фактор – 34,5 м3/т; кинематическая вязкость – 16,29.10-2 см²/с.

Освоение 13.09.99. Промывка технической водой в объёме 20 м³ и солянокислотная обработка (СКО) в объёме 3 м³ реагента при устьевом давлении Р =10 МПа. Спуск трубного глубинного насоса диаметром 43 мм. Получен дебит 1,5 т/сут.

Освоение с ЗУОС 20.11.99 г. Прокачано 16 м³ жидкости на двух режимах.

Режим I. Давление закачки – 15 МПа, на 3-й скорости ЦА-320М, с расходом 6,6 л/с в течение 20 минут.

Режим II. Давление закачки – 6 МПа, на 2-й скорости ЦА-320М, с расходом 3,3 л/с в течение 40 минут.

Из пласта извлечено 3 м³ жидкости.

Отмечено возмущающее воздействие  на соседнюю работающую скважину №39, которая начала фонтанировать в конце второй промывки и фонтанировала 3 часа. Замеры дебита скв. №303 составили 7 м³/сут (4.12.99 г.) и 8 м³/сут (18.12.99 г.).

Было также освоено восемь вышедших из бурения скважин Верещагинского месторождения НГДУ Пермоблнефть с дебитами нефти от 3 до 12 м³/сут.

Кроме устройства на базе струйного насоса УОС-1, было разработано аналогичное устройство на базе вставного струйного аппарата УЭОС-1. Однако оптимизации его параметров проведено не было. Аналогичная конструкция из вставного струйного насоса и генератора колебаний давления, но с клапаном-реле, контролирующим уровень депрессии в подпакерной зоне, описана в работе. В других публикациях для создания пульсирующей депрессии на пласт авторы использовали гидродинамический генератор колебаний, установленный на забое скважины и работающий при прокачке через него жидкости, а необходимая величина депрессии на пласт осуществлялась прокачкой пены через межтрубное пространство.

Близкой к нам по сути является технология освоения скважин струйным насосом, где пульсирующая депрессия создаётся обратным клапаном, установленным в канале, связывающем подпакерную зону с камерой смешения.

 

2.3 Динамические кислотные обработки

 

 

Известно проведение кислотных  обработок с виброударным воздействием. Однако у этого метода существенным недостатком является то, что обработке подвергаются в основном наиболее промытые участки, т.к. при ударном воздействии раскрытие трещин происходит в наиболее слабой (промытой) части пласта.

Поэтому при кислотных обработках целесообразно использовать именно акустическое, а не виброударное воздействие. Акустическая обработка способствует увеличению как глубины проникновения кислотного раствора в пласт, так и скорости химических реакций. Кроме того, благодаря перистальтическому эффекту звуковые волны способствуют проникновению кислоты в наименее проницаемые прослои и пропластки. Для оценки влияния звука на эффективность кислотного воздействия были осуществлены эксперименты по солянокислотной обработке (СКО) ПЗП через вихревой генератор звука.

В НГДУ Чернушканефть (2005 г.) была проведена обработка нагнетательных скважин по следующей технологии. Вначале осуществлялась промывка ствола скважины водой через НКТ, башмак которых был оборудован излучателем.

Затем была произведена посадка  пакера и сразу же за этим произведена  закачка в пласт 24 %-ного раствора HCl.

В скв. №345 и №256 Асюльского месторождения  начальное давление закачки составляло соответственно 26 и 25 МПа, которое снизилось до 12 МПа.

Приёмистость скважин выросла  от 0 до 200 и 360 м3/сут. В скв. №324 Павловского  месторождения начальное давление закачки было 32 МПа, конечное – лишь 14 МПа, а приёмистость скважины выросла до 50 м3/сут.

На добывающих скважинах технология СКО с применением звукового излучателя была использована в НГДУ Пермоблнефть (2000 г.). Промывка ствола осуществлялась товарной нефтью в объёме всего лишь 1 м³, после чего сразу же было закачано 4 м³ 24 %-ного раствора соляной кислоты. В скв. №134 Верещагинского месторождения без использования генератора приёмистость отсутствовала при давлении 15 МПа. Использование же звукового генератора привело к тому, что уже при 10 МПа началось поглощение кислотного раствора с последующим падением давления закачки до 6 МПа. Если до обработки дебит скважины составлял 1 м³/сут, то после обработки он увеличился до 2,4 м³/сут. Аналогичные результаты получены и на других месторождениях.

Использование автоматизированных систем контроля и управления может существенно повысить эффективность обработок ПЗП акустическим воздействием. Наверное, это существенно, если использовать генераторы, амплитудно-частотные характеристики которых не известны (что не целесообразно). И лишь при работе, использовать приборы, замеряющие на забое скважины динамические давления и определять оптимальные режимы излучения генератора.

Однако наиболее эффективными оказались СКО с применением ЗУОС, поскольку использование ЗУОС также позволяет проводить эти обработки через гидродинамический излучатель ГВД, а затем легко извлечь продукты реакции кислоты с породой из призабойной зоны пласта.

 

 

2.4 Изоляция водопритоков

 

 

Как следует из описанного выше, акустическое воздействие довольно широко применяется  в нефтедобыче. Применение же звука  в водоизоляционных и ремонтных работах (ВИР) крайне редко. Известно лишь несколько упоминаний о применении акустики при таких работах. Это, например, способ закрепления несвязанных пород, в котором закачка тампонажного материала (раствора бентонитовой глины) проводится с одновременным воздействием на раствор и породу звуковыми колебаниями низкой частоты, что увеличивает радиус проникновения раствора и закрепления породы. Такое увеличение радиуса проникновения, возможно здесь обусловлено как уменьшением вязкости транспортируемогоьраствора, так и перистальтическим эффектом.

Тот факт, что акустическое воздействие  влияет на реологические характеристики обрабатываемой звуком жидкости, делает звуковое поле эффективным инструментом для проведения изоляционных работ, поскольку управление, например, вязкостью или временем гелеобразования (желатинизации или твердения) тампонажного материала позволяет создать изоляционный экран любой толщины и прочности. В связи с этим в ПермНИПИнефть в конце 80-х годов была проведено исследование влияние акустического воздействия на реологические свойства эмульсии на основе латекса и нефти и разработана технология водоизоляционных работ в скважине. Латекснефтяная эмульсия выбрана потому, что она является селективным водоизоляционным материалом.

Латексная эмульсия является сложной  системой. Латекс представляет собой коллоидную дисперсию типа масло в воде. Поверхность раздела фаз гидрофилизирована. Латекснефтяная эмульсия - дисперсия коллоидной системы латекса в нефти – обратная эмульсия. В этом случае поверхность раздела фаз гидрофобизирована. На рис. 14 приведено схематическое изображение обратной латекснефтяной эмульсии.

Рис. 14. Схематическое изображение обратной латекснефтяной эмульсии

 

При образовании обратной латекснефтяной эмульсии происходит диспергирование водной дисперсии синтетического латекса в нефти. При этом дисперсия латекса разбивается на глобулы, состоящие, как и исходная дисперсия, из олигомеров латекса, стабилизированных водорастворимыми ПАВ, и воды. Глобулы стабилизируются углеводорастворимыми ПАВ, входящими в состав нефти.

При дроблении дисперсной фазы часть  олигомеров синтетического латекса переходит в нефть непосредственно без водной фазы и растворяется в ней с течением времени. Это приводит к дополнительному повышению вязкости латекснефтяной эмульсии при выдержке во времени.

При введении в латекснефтяную эмульсию коагулянта, например, минерализованной воды, катионы многовалентных металлов диффундируют через межфазную плёнку углеводорастворимых ПАВ в водную фазу глобулы латексной дисперсии и нейтрализуют заряд (отрицательный) олигомеров латекса, а из водорастворимых ПАВ образуют маслорастворимые ПАВ. Нейтрализованные олигомеры латекса коагулируют, образуя пространственную структуру. Нефть и водная фаза латексной дисперсии, благодаря присутствию углеводорастворимых ПАВ, образуют обратную эмульсию, которая захватывается пространственной сеткой скоагулированных олигомеров латекса как губкой. С течением времени происходит набухание коагулянта латекса в нефти и уменьшение подвижности системы в целом.

Поскольку вязкость эмульсий, при  прочих равных условиях, определяется размером и количеством глобул внутренней фазы, то интенсивное диспергирование дисперсии синтетического латекса в нефти способствует ускоренному росту вязкости латекснефтяной эмульсии. А уж ускоренное смешение этой эмульсии с коагулянтом, возникающее при перистальтической продавке латекснефтяной эмульсии в заполненном пластовой водой гидрофильном капилляре, приводит к катастрофическому нарастанию вязкости коагулянта.

В качестве лабораторного источника  звука, позволяющего оценить влияние акустического воздействия на латекснефтяную эмульсию, был взят миксер, основными рабочими органами которого являются ротор и статор. Ротор выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса, на образующей которого находятся прорези. Ротор вращается внутри статора, представляющего собой цилиндрическую обечайку с аналогичными сквозными прорезями на образующей.