Технология резонансно-волнового воздействия

Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний в какой-либо колебательной системе, наступающее при приближении частоты периодического внешнего воздействия к некоторым значениям, определяемым свойствами самой системы. В простейших случаях резонанс наступает при приближении частоты внешнего воздействия к одной из тех частот, с которыми происходят собственные колебания в системе, возникающие в результате начального толчка (резонансные частоты).

При воздействии на нефтенасыщенный пласт мощным низкочастотным акустическим излучением происходит распространение в пласте упругих бегущих волн, представляющих собой перенос энергии механического сжатия и сдвига частиц среды. Изменением частоты сигнала можно достичь резонанса колебаний в том или ином элементе системы.

Акустические методы обеспечивают воздействие на удаленные от источника излучения участки пласта, активизируя неподвижные и малоподвижные целики нефти в пласте, тем самым увеличиваются потоки нефти и снижается обводненность добываемой продукции. Радиус влияния 3-5 км. Источником акустических колебаний рассматриваются шумы от работы насосного оборудования на КНС и внутрискважинные излучатели. Основное условие эффективности технологии - облучение пласта в диапазоне резонансных частот.

Используются высокоэнергетические (до 10 млн Ватт мощности) низкочастотные упругие волны. Повышение нефтеотдачи достигается за счет 2 механизмов:

- физическое смещение и слипание капель и тонких прослоек нефти за счет
воздействия ударных волн.

- повышение мобильности смещенных и слипшихся капель и тонких прослоек нефти
происходит за счет упругих волн и подвижной нефти вокруг данных малоподвижных частиц.

Частичный перенос вещества благодаря перераспределению механических напряжений в коллекторе, а также за счет создаваемого дополнительного градиента давления, распространяющегося фронтом упругой волны ведет к увеличению охвата воздействием неподвижных зон запасов. Также возрастает трещиноватость пород, что в свою очередь сопровождается улучшением их коллекторских свойств и повышением продуктивности. Также изменению подвергаются реологические свойства самой нефти -однако данное влияние неоднозначно и существенно зависит от состава нефти.

Для нефтей, характеризующихся повышенным содержанием полярных кислых смол, после магнитной обработки наблюдается снижение размеров нефтяных ассоциатов, уменьшение вязкости, статического напряжения сдвига и энергии активации вязкого течения. В то время как в нефтях с повышенным содержанием неполярных нейтральных смол частичная поляризация неполярных нейтральных смолистых компонентов в результате магнитной обработки ведет к взаимодействию ассоциатов с образованием новых, более крупных структур, и к увеличению значений реологических параметров.

Восстановление первоначальных размеров ассоциатов и релаксация реологических свойств магнитообработанных нефтей происходит в течение нескольких суток.

Технология резонансно-волнового воздействия применима в условиях порового коллектора с высокой песчанистостью (более 85%), при нефтенасыщенной толщине не менее 3 м, проницаемости от 50 мД и нефтенасыщенности не менее 50%. Динамическая вязкость не должна превышать 25 спз, давление (как пластовое, так и забойное) необходимо поддерживать выше давления насыщения.

Помимо геолого-физических условий существуют и технологические критерии, указывающие на возможность или невозможность применения резонансно-волновой технологии.

Так, скважины (как добывающие, так и нагнетательные) пригодны для акустического воздействия, если по ним наблюдается снижение коэффициента продуктивности скважины, т.е. падение дебита или приемистости, не связанное с техническими причинами. На возможность эффективного применения резонансно-волновой технологии указывают также неравномерные профили притока или приемистости, определенные по ПГИС. Кроме того, в случае с нагнетательными скважинами целесообразно применение акустического воздействия при обнаружении ухудшенной гидродинамической связи с соседними добывающими скважинами.

Применение резонансно-волновой технологии нецелесообразно при наличии
заколонных или внутрипластовых перетоков, неудовлетворительном качестве

цементирования (поскольку воздействию может подвергнуться не только порода-коллектор, но и эксплуатационная колонна), при высокой пластовой температуре (более 100 ^оС), забойном давлении более 350 атм (для нагнетательных скважин) и обводненности более 80% (для добывающих скважин).

По своей физической природе акустическое воздействие относится к классу слабых энергетических воздействий и, как следствие, относительно дешев по сравнению с другими методами. Вместе с тем, широкое распространение резонансно-волновой технологии, как и других технологий акустического воздействия, в промысловой практике сдерживается вследствие сложности акустической аппаратуры по сравнению с аппаратурой, используемой в традиционных способах интенсификации скважин, и одновременно ее недостаточной мощности, низкого КПД, наличия кабеля, ограничения во времени воздействия на пласт.

За период с 1992 по 2001 годы обработало около 1100 скважин на различных нефтегазовых месторождениях России, Казахстана, Туркмении и Азербайджана. По результатам обработок, а также анализа результатов численных экспериментов установлено, что в наибольшей степени акустические обработки эффективны на высокодебитных скважинах и в условиях плотной сетки скважин (200-300 м).

Отмечена зависимость с отрицательной корреляцией между резонансной частотой и проницаемостью (чем выше проницаемость, тем ниже резонансная частота). Для пластов с проницаемостью от 10 до 350 мД резонансная частота оценивается в 800-1500 Гц.

В качестве альтернативы резонансно-волновой технологии может применяться воздействие ультразвука (обычно с частотой 15–50 кГц) с помощью электроакустического преобразователя (магнитострикционного или пьезоэлектрического). При обработке ультразвуком изменение свойств нефтяных систем происходит за счет изменения дисперсной структуры. Существует два механизма изменения структуры нефти в результате ультразвуковой обработки:

- укрупнение или, наоборот, уменьшение размеров частиц дисперсной фазы и
изменение их количества;

- «смывание» бронирующих (сольватных) оболочек дисперсной фазы.
Другие эффекты, получаемые посредством ультразвукового воздействия - увеличение проницаемости пластов благодаря изменениям структуры порового пространства, разрушение минеральных солеотложений и депарафинизация нефти.

2.9. «Интеллектуальные» скважины

Под этим понятием в практике разработки нефтяных месторождений понимают технологии одновременно-раздельной эксплуатации многопластовых объектов и бурения многоствольных горизонтально-разветвленных скважин. В обоих случаях цель заключается в распределении нагнетаемой воды в интервалы с низким охватом дренированием и ограничении бесполезной циркуляции воды в промытых прослоях и застойных зонах.

Известно, что одновременное нагнетание воды в несколько пластов, неоднородных по проницаемости, приводит к быстрому обводнению залежей, низкому охвату их воздействием и образованию водяных блокад отдельных невыработанных зон. При этом ускоренное продвижение фронта вытеснения нефти водой по высокопроницаемым пластам приводит к прорывам воды к забоям добывающих скважин и как следствие возрастают объем попутно добываемой воды и затраты на ее нагнетание. Это в лучшем случае приводит к повышению себестоимости добычи нефти, а в худшем случае - выводу обводненной скважины из эксплуатации вместе с потерей неосвоенных запасов нефти, оставшихся в низкопроницаемых пластах. Практика одновременного нагнетания воды в несколько пластов приводит также к потере информации о фактических объемах нагнетаемой воды в каждый из пластов.

Кроме того, важным фактором, затрудняющим выработку запасов из нефтесодержащего пласта, является прерывистость геологического строения. При разработке прерывистых пластов с использованием системы ППД образуются так называемые «застойные зоны», в которых содержаться запасы, не охваченные воздействием на пласт - и, соответственно, дренированием добывающими скважинами. Вероятность образования таких зон тем больше, чем более прерывистым является пласт; последствием же для разработки данного обстоятельства является общее снижение коэффициента охвата вытеснением.

Применение интеллектуальных скважин позволит вовлечь в активную разработку подвижные запасы нефти в средне и низкопроницаемых разностях.

Главное преимущество многоствольных скважин состоит в создании максимальной площади контакта с продуктивным пластом, что ведет к росту производительности скважин или их приемистости, а также к повышению показателей извлечения продукта из пласта. Многоствольные горизонтальные скважины особенно удобны для создания связи между такими вертикально и горизонтально ориентированными геологическими образованиями, как возникшие естественным путем трещины, тонкослоистые интервалы и многослойные коллекторы. Многоствольные, наклоненные под большими углами или горизонтальные дренирующие скважины пересекает большее число естественных трещин и зачастую повышают добычу из пласта в большей степени, чем это достигается в результате бурения одиночных горизонтальных скважин при проведения ГРП. Технология бурения многоствольных горизонтальных скважин особенно предпочтительна для разработки месторождений, содержащих тяжелые нефти, имеющих низкую проницаемость или естественную трещиноватость, тонкослоистые коллекторы или многослойные залежи.

Известны следующие основные схемы расположения многоствольных горизонтальных скважин в пласте:

• несколько боковых ответвлений от основной скважины, образующих веер в горизонтальной плоскости;

• расположение стволов по вертикали друг над другом;

• две горизонтальные скважины, расходящиеся в противоположные стороны от главного ствола.

Горизонтальные скважины, образующие в плане форму веера (как вариант, вилки или ребер) бурятся в одном интервале и предназначаются для максимального увеличения добычи из неглубоко залегающих залежей с низким пластовым давлением или содержащих

тяжелую нефть, а также из месторождений с пониженным давлением. Горизонтальные скважины, располагающие по вертикали, эффективны в слоистых коллекторах. В пластах с низкой проницаемостью и естественной трещиноватостью две расходящиеся в противоположные стороны горизонтальные скважины могут пересечь больше трещин, чем одна, особенно если известно направление напряжения, и могут также уменьшить потери давления и преодоление трения течения во время эксплуатации.

Многоствольная скважина позволяет регулировать выработку запасов из совместно разрабатывамых пластов. Для этого для каждого пласта (горизонта) необходимо подбирать свою длину ствола, исходя из заданного критерия оптимизации. Наибольшие дебиты нефти в начальный период и обводненность в процессе эксплуатации будут достигаться при увеличении длины стола в высокопродуктивном коллекторе. Наиболее равномерная выработка пластов и максимальная нефтеотдача будут характерны при увеличении до определенного предела длины ствола в низкопроницаемом коллекторе. Учитывая, что дебит скважины прямо пропорционален гидропроводности, для равномерной выработки пластов в первом приближении необходимо, чтобы соотношение длин стволов было равно обратному соотношению гидропроводности различных горизонтов. При этом необходимо учитывать ряд дополнительных факторов: упругий запас пласта, тип коллектора, близость ВНК и др.

Кроме того, системы интеллектуальных скважин обеспечивают непрерывный сбор данных, регулирование потока и интеграцию всех систем для обеспечения дистанционного управления дебитом без проведения дорогостоящих ремонтных работ. При использовании данной технологии можно контролировать нагнетание воды в каждый объект и оптимально регулировать процессы разработки – дифференцированно воздействовать на отдельные пласты за счет оперативного (сменой устьевого регуляторов или забойных регуляторов в соответствующих секциях) изменения режимов каждого из пластов скважины в широком диапазоне, что в конечном итоге позволит увеличить коэффициент нефтеотдачи.

Эффективность технологии одновременно-раздельной эксплуатации нескольких пластов на нагнетательных скважинах была проверена на следующих многопластовых месторождениях: Ваньеганском, Ай-Еганском, Приобском, Тарасовском, Барсуковском, Южно-Тарасовском, Фестивальном, Восточно-Ягтинском, Южно-Харампурском и других.

Первый опыт бурения многоствольных и многозабойных скважин восходит к 1950-м гг, однако существовавшие в те времена способы бурения и оборудование для вскрытия пластов могли применяться только в очень ограниченном числе практических случаев. Внесенные в течение 1990-х годов усовершенствования в технику бурения позволили нефтяным компаниям бурить и заканчивать большее число скважин путем создания многоствольных горизонтальных ответвлений.

Многоствольное бурение проводилось на месторождениях ряда стран мира, в т.ч. Нигерии (месторождение Иду), Бразилии (Макау), Саудовской Аравии (Гхавар).

В отечественной промысловой практике опыт бурения многоствольных скважин отмечен на месторождениях Поволжья (недропользователи ОАО «Татнефть» и ОАО «Башнефть»), а также ХМАО (недропользователь – ОАО «Сургутнефтегаз»). Самое большое количество многоствольных скважин (75) пробурено на месторождениях ОАО «Татнефть». Бурение ведется по двум технологиям: бурение основного ствола и затем боковых от него, или формирование основного ствола в процессе бурения ответвлений. На Федоровском месторождении (ОАО «Сургутнефтегаз») пробурены четырехствольные скважины. Они оснащены комплектом гидравлически устанавливаемых пакеров, герметично разобщающих стволы, и циркуляционных клапанов, открытием и закрытием которых можно управлять механически. На Барьязинском месторождении АНК «Башнефть» пробурена скважина с двумя стволами (горизонтальным и наклонным) на разные продуктивные горизонты, однако положительный эффект по результатам бурения достигнут не был.