Способ направленной разгрузки пласта

Изобретение относится к технологии скважинной добычи углеводородного сырья и направлено на повышение коэффициента продуктивности в добывающих скважинах месторождения и повышение приемистости нагнетательных скважин.

Известен способ обработки нагнетательных скважин путем очистки призабойных зон пласта (ПЗП) для повышения проницаемости коллекторов и соответственно приемистости скважин (см. заявку РФ 2000108427, Е21В 43/22, 2001 [1]). Известный способ включает выделение групп низкоприемистых нагнетательных скважин с низкопроницаемой призабойной зоной коллекторов и высокоприемистых нагнетательных скважин с высокопроницаемой призабойной зоной коллекторов в единой гидродинамической системе. При работе кустовой насосной станции манипулируют задвижками водоводов, выдерживают паузы в течение одних-трех суток при закрытых высокоприемистых и открытых низкоприемистых скважинах. Создают перепад давления регулировкой выкидной задвижкой. Открывают высокоприемистые скважины, создают депрессию в единой гидродинамической системе. Происходят падение давления на устье низкоприемистых скважин и отлив жидкости из низкопроницаемых коллекторов в высокопроницаемые коллекторы через высокоприемистые скважины. Осуществляют возврат в первоначальный режим работы кустовой насосной станции. Фиксируют параметры работы станции. По величине изменения параметров выдают заключение об эффективности очистки. Недостатком известного способа является необходимость больших временных затрат на его осуществление и низкая эффективность. Кроме того, способ неприменим повышения коэффициента продуктивности в добывающих скважинах.

Известен способ обработки призабойной зоны пласта и регулирования проницаемости водонефтенасыщенного коллектора для повышения приемистости водонагнетательных скважин (см. патент РФ 2166621, Е21В 43/22, 2001 [2]). Способ осуществляется путем нагнетания химических реагентов в призабойную зону нагнетательных скважин с последующей технологической паузой. Недостатком известного способа является ограниченность его применения (только для водонагнетательных скважин), невысокое повышение проницаемости ПЗП и длительность осуществления.

Известен способ обработки нагнетательной скважины для повышения ее приемистости за счет повышения проницаемости ПЗП (см. заявку РФ 92001969, Е21В 43/27, 1994 [3]). В известном способе увеличение приемистости нагнетательных скважин и расширение зоны ее воздействия на разрабатываемый пласт достигается тем, что создают депрессию на ПЗП, удаляют загрязнения и кольматирующие вещества, нагнетают в ПЗП высокотемпературную смесь водяного пара с газом, с помощью которой растворяют, расплавляют и прокачивают кольматирующие вещества и инфильтрат в глубь пласта на расстояние, при которой не проявляется их закупоривающее действие, после чего закачивают рабочий агент.

Недостатком известного способа является сложность его осуществления, поскольку требуется прокачивать в ПЗП смесь с высокой температурой, и малая эффективность, обусловленная тем, что кольматирующие вещества остаются в пласте, снижая его проницаемость. Кроме того, способ не применим повышения коэффициента продуктивности в добывающих скважинах.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ повышения коэффициента продуктивности нефтяной скважины, включающий регистрацию его изменения в процессе воздействия на призабойную зону скважины (RU 2085718, Е21В 43/25, 1997 [4]). Воздействие на призабойную зону скважины осуществляют снижением давления на ее забое до скачкообразного повышения коэффициента продуктивности нефтяной скважины с последующим выводом на режим эксплуатации с повышенным коэффициентом продуктивности.

Недостатком известного способа является длительный период ожидания достижения скважиной оптимальных условий. Это обусловлено тем, что величина депрессии, необходимой для изменения структуры породы, приводящей к повышению ее проницаемости, неизвестна.

Заявляемый способ направленной разгрузки пласта направлен на увеличение проницаемости в призабойной зоне скважины, улучшение гидродинамической связи удаленной зоны пласта со скважиной и как следствие увеличение коэффициента продуктивности в добывающих и приемистости в нагнетательных скважинах.

Указанный результат достигается тем, что способ направленной разгрузки пласта для повышения коэффициента продуктивности нефтяных и газовых скважин включает регистрацию изменения коэффициента продуктивности в процессе воздействия на призабойную зону скважины снижением давления на ее забое.

При этом осуществляют определение напряжения, соответствующего необратимому увеличению проницаемости образцов горных пород продуктивного пласта, определяемого из опытов по исследованию зависимости проницаемости горных пород в области забоя от действующих в них напряжений, депрессию на забое скважины

Δp=p_o-p_заб

где р_o - пластовое давление флюида, МПа; р_заб - давление на забое скважины, МПа, сразу создают равной предельному значению Δр_кр, МПа, определяемого по формуле

Δp_кр=p_o+q-σ_c/2.

где q - горное давление на глубине Н забоя скважины, м, равное

q=-γH

где γ - средняя плотность вышележащих пород, кг/м³,

поддерживают депрессию на одном уровне до прекращения повышения дебита флюида Q, м³/час,

продолжают увеличивать депрессию на забое скважины,

контролируют дебит скважины при различных значениях депрессии до прекращения его роста, рассчитывают на основе полученных данных для каждого значения депрессии коэффициент продуктивности скважины, определяемый по формуле

K=Q/Δp

и при прекращении роста коэффициента продуктивности скважину переводят в эксплуатационный режим.

Указанный результат достигается также тем, что в случае отсутствия повышения коэффициента продуктивности скважины при достижении расчетного значения предельной депрессии в ПЗП создают области повышенных напряжений (концентраторы).

Указанный результат достигается также тем, что в качестве средства создания областей повышенных напряжений используют перфорацию.

Отличительными признаками заявляемого способа являются:

- депрессию на забое скважины

Δp=p_о-p_заб

где р_o - пластовое давление флюида, МПа; р_заб - давление на забое скважины, МПа, сразу создают равной или превышающей предельное значение Δр_кр, МПа, определяемого по формуле

Δp_кр=p_о+q-σ_с/2,

где q - горное давление на глубине Н забоя скважины, м, равное

q=-γH,

где γ - средняя плотность вышележащих пород, кг/м³;

- измеряют дебит скважины и

продолжают увеличивать депрессию на забое скважины

Δp=p_о-p_заб

где р_o - пластовое давление флюида, МПа,

р_заб - давление на забое скважины, МПа;

- контролируют дебит скважины при различных значениях депрессии до прекращения его роста и рассчитывают на основе полученных данных для каждого значения депрессии коэффициент продуктивности скважины, определяемый по формуле

K=Q/Δp;

- скважину переводят в эксплуатационный режим при прекращении роста коэффициента продуктивности;

- в случае отсутствия повышения коэффициента продуктивности скважины при достижении расчетного значения предельной депрессии в ПЗП создают области повышенных напряжений:

- в качестве средства создания областей повышенных напряжений используют перфорацию.

Предварительное определение давления по приведенной выше формуле позволяет ускорить процесс разрушения породы в ПЗП и ввод скважины в эксплуатацию, т.к. уже при начале проведения работ на скважине известно с какого минимального давления следует начинать. При этом данная формула позволяет определять величину давления с более высокой точностью, чем в прототипе. Для достижения заявленного результата из кернового материала, извлеченного из продуктивной толщи месторождения, изготавливаются кубические образцы, которые подвергают испытаниям на установках, позволяющих реализовать любую траекторию трехосного независимого нагружения (деформирования), включая процесс разрушения, по программам нагружения, отвечающих реальным напряжениям, возникающим в ПЗП при увеличении депрессии в скважине, и определение напряжения σ_с, МПа, соответствующего необратимому увеличению проницаемости образцов горных пород продуктивного пласта.

Такой установкой является испытательная система трехосного независимого нагружения ИСТНН, созданная в ИПМех РАН.

ИСТНН позволяет на образцах породы в форме куба с ребром 40 или 50 мм воссоздавать напряженные состояния, возникающие в окрестности скважин с различными конструкциями забоя: открытый ствол, обсаженная перфорированная скважина, обсаженная скважина с щелевой перфорацией и т.д. Как меняются напряжения в породе в окрестности скважины при изменении величины депрессии для различных вариантов конструкции забоя, показывают расчеты, в простых случаях (открытый ствол скважины) - аналитические, в более сложных (наличие обсадки, перфорационных отверстий, щелей и т.п.) - численные с использованием трехмерных программ расчета напряженно-деформированного состояния. Найденные условия сжатия породы при изменении величины депрессии для различных вариантов конструкции забоя моделируются на образцах из кернового материала с помощью испытательного стенда. В течение всего процесса нагружения измеряется проницаемость образцов.

Каждому из перечисленных выше случаев конструкции забоя соответствует своя программа нагружения образца, отвечающая постепенному увеличению депрессии на забое скважины. Результаты испытаний также, естественно, отличаются. Однако если говорить о зависимости проницаемости породы от вида и уровня возникающих в ней напряжений, наиболее информативной является программа нагружения, соответствующая открытому (не обсаженному) стволу скважины.

На фиг. 1 схематично показан участок не обсаженного ствола скважины и действующие в ее окрестности радиальное S_r, окружное S_θ и вертикальное S_z напряжения в грунтовом скелете.

Напряжения, возникающие в грунтовом скелете в ПЗП необсаженного ствола скважины, определяются хорошо известным решением задачи Ламэ и равны (сжимающие напряжения считаются отрицательными)

S_r=-(q+p_заб)(R_c/r)²+q+p(r)

S_θ=-(q+Р_заб)(R_с/r)²+q+p(r)

S_z=q+p(r)

где q - горное давление (q<0), р_заб - давление в скважине, p(r) - давление на расстоянии r от скважины (p(r), р_заб>0), R_c - радиус скважины, r - расстояние от оси скважины.

Величина депрессии в скважине Δр связана с напряжением S_θ, действующим на ее стенке, соотношением

Δp=p_o+q-S_θ/2

где р_o - пластовое давление нефти.

Соответственно программа испытаний образцов, отвечающая изменению напряжений в ПЗП при уменьшении давления в скважине р_за6 (увеличении депрессии Δр), показана на фиг. 2.

Здесь S_i - напряжения, прикладываемые к граням образца. Соответствие этих напряжений и напряжений, действующих в окрестности скважины, следующее: S₁=S_θ; S₂=S_r; S₃=S_z.

Испытание образца включает в себя три этапа.

Этап 1. Образец обжимается равномерно со всех сторон до напряжения, равного разности между значением горного давления q и величиной пластового давления Р0 (отрезок OA на фиг. 2).Точка А отвечает напряжениям, действовавшим в грунтовом скелете до пробуривания скважины.

Этап 2. На втором этапе нагружения (отрезки АВ) одна компонента напряжения (S₃) продолжает расти, вторая (S₁) остается постоянной, а третья (S₂) убывает, причем нагрузка меняется таким образом, что среднее напряжение S=(S₁+S₂+S₃)/3 на всем протяжении этапа 2 сохраняется постоянным (это следует из соотношений Ламэ).

Каждая точка на отрезке АВ соответствует определенному давлению на забое скважины, большему, чем пластовое, т.е. определенной величине репрессии. Конечная точка этапа (точка В) отвечает состоянию, когда скважина пробурена и давление на забое равно пластовому.

Этап 3. На третьем этапе моделируется процесс создания депрессии, т.е. понижения давления на забое скважины (отрезки ВС на фиг.3). При этом радиальное напряжение S_r в грунтовом скелете по мере роста депрессии остается практически равным нулю, а кольцевые и вертикальные напряжения растут, но вертикальные напряжения увеличиваются примерно в два раза медленнее. Соответственно изменялись компоненты напряжения S₁, S₂, S₃ в опыте.

Третий этап был последним и продолжался до тех пор, пока образец не разрушался.

В ходе всего опыта измеряются деформации образца в трех направлениях и изменение его проницаемости в одном из направлений. Отметим, что описанная программа испытания образцов соответствует не только случаю не обсаженного участка ствола скважины. Аналогичные напряжения возникают также в окрестности перфорационных отверстий в обсаженной скважине, когда длина перфорационных отверстий существенно больше их диаметра.

Величина предельного напряжения σ_с, соответствующая необратимому увеличению проницаемости горных пород продуктивного пласта, равна значению напряжения S₁, при котором в опытах происходит необратимое увеличение проницаемости образцов.

Контроль дебита скважины при различных значениях депрессии и расчет на основе полученных данных для каждого значения депрессии коэффициента продуктивности скважины, определяемого по приведенной формуле, позволяют определить наступление момента, когда максимум коэффициента продуктивности достигнут и дальнейшее производство работ экономически нецелесообразно.

В случае отсутствия повышения коэффициента продуктивности скважины при достижении расчетного значения предельной депрессии в ПЗП создают области повышенных напряжений (концентраторы). Области повышенных напряжений могут создаваться любыми известными способами - нарезка щелей, перфорация, гидроразрыв и т.п. Однако, исходя из соображений экономии, наиболее целесообразно использовать перфорацию.

Сущность заявляемого способа направленной разгрузки пласта для повышения коэффициента продуктивности нефтяных и газовых скважин поясняется примерами реализации и графическими материалами. На фиг. 1 схематично показан участок не обсаженного ствола скважины и действующие в ее окрестности радиальное S_r, окружное S_θ и вертикальное S_z напряжения в грунтовом скелете. На фиг. 2 представлена в виде графика программа испытаний образцов, отвечающая изменению напряжений в ПЗП при уменьшении давления в скважине.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом. Из кернового материала скважины, подлежащей обработке или ближайшей к ней, отбирают образцы породы коллектора, из которых изготавливают образцы для моделирования в виде кубиков с ребром 40 мм или 50 мм в зависимости от диаметра используемого керноотборника.

Моделирование осуществляют с помощью испытательного стенда (ИСТНН), позволяющего создавать независимое трехосное нагружение образцов породы, и, таким образом, полностью воспроизводить на образце те механические напряжения, которые действуют на породу в призабойной зоне при различных депрессиях на пласт. При этом в течение всего процесса нагружения измеряются деформации и проницаемость образца. Проницаемость определяется путем продувки воздуха через противоположные грани образца, благодаря имеющимся в двух противоположных нажимных плитах ИСТНН отверстиям. Проницаемость рассчитывается по величине дебита воздуха. Порода при некоторых условиях нагружения, может начать интенсивно не упруго деформироваться, растрескиваться, разрыхляться, что может сопровождаться резким необратимым повышением проницаемости. По его началу определялась величина напряжения σ_с, МПа, соответствующего необратимому увеличению проницаемости горных пород продуктивного пласта, и депрессии на пласт, необходимой для разрушения грунта в продуктивной толще в призабойной зоне. Эти условия затем реализуются на скважине созданием депрессии определенной величины, благодаря чему повышаются проницаемость ПЗП и продуктивность скважины. Скважина оборудовалась известными средствами, позволяющими поддерживать на забое скважины давление ниже начального пластового давления нефти. При этом в соответствии с предлагаемым способом давление на забое скважины уменьшалось до значений, обеспечивающих величину депрессии, необходимую для разрушения грунта, значение которой было определено на основании исследования образцов, изготовленных из кернов. Измеряя дебит скважины, поддерживали депрессию на одном уровне до прекращения повышения дебита флюида. Затем продолжали увеличивать депрессию на забое скважины, контролируя дебит скважины при различных значениях депрессии до прекращения его роста, рассчитывали на основе полученных данных для каждого значения депрессии коэффициент продуктивности скважины, и при прекращении роста коэффициента продуктивности скважину перевели в эксплуатационный режим.

Пример 2. Ремонт малодебитных скважин с открытым стволом.

Из кернового материала скважины, подлежащей обработке или ближайшей к ней, отбирают образцы породы коллектора, из которых изготавливают образцы для моделирования в виде кубиков с ребром 40 мм или 50 мм в зависимости от диаметра используемого керноотборника.

Моделирование осуществляют с помощью испытательного стенда (ИСТНН), позволяющего создавать независимое трехосное нагружение образцов породы, и, таким образом, полностью воспроизводить на образце те механические напряжения, которые действуют на породу в призабойной зоне при различных депрессиях на пласт. При этом в течение всего процесса нагружения измеряются деформации и проницаемость образца. Проницаемость определяется путем продувки воздуха через противоположные грани образца, благодаря имеющимся в двух противоположных нажимных плитах ИСТНН отверстиям. Проницаемость рассчитывается по величине дебита воздуха. Порода при некоторых условиях нагружения, может начать интенсивно неупруго деформироваться, растрескиваться, разрыхляться, что может сопровождаться резким необратимым повышением проницаемости. По его началу определялась величина напряжения σ_с, МПа, соответствующего необратимому увеличению проницаемости горных пород продуктивного пласта, и депрессии на пласт, необходимой для разрушения грунта в продуктивной толще в призабойной зоне. Эти условия затем реализуются на скважине созданием депрессии определенной величины, благодаря чему повышаются проницаемость ПЗП и продуктивность скважины.

Скважина оборудовалась известными средствами, позволяющими поддерживать на забое скважины давление ниже начального пластового давления нефти. При этом в соответствии с предлагаемым способом давление на забое скважины уменьшалось до значений, обеспечивающих величину депрессии, необходимую для разрушения грунта, значение которой было определено на основании исследования образцов, изготовленных из кернов.

В результате проведения работ было установлено, что даже при полном осушении скважины в породе не возникло напряжений, необходимых для разрушения грунта в продуктивной толще в призабойной зоне. Поэтому для необратимого увеличения проницаемости горных пород в ПЗП создали области повышенных напряжений путем перфорации открытого ствола, а затем в соответствии с предлагаемым способом давление на забое скважины уменьшалось до значений, обеспечивающих величину депрессии, необходимую для разрушения грунта, измеряли дебит скважины, поддерживали депрессию на одном уровне до прекращения повышения дебита флюида. Затем продолжали увеличивать депрессию на забое скважины, контролируя дебит скважины при различных значениях депрессии до прекращения его роста, рассчитывали на основе полученных данных для каждого значения депрессии коэффициент продуктивности скважины, и при прекращении роста коэффициента продуктивности скважину перевели в эксплуатационный режим.

Пример 3. Способ освоения скважины был реализован на скважине №338 Сибирского месторождения ЗАО «Лукойл-Пермь».

Из кернов, извлеченных из продуктивного пласта были изготовлены образцы в виде куба с размером граней 50 мм. В процессе исследования образцов на установке ИСТНН было установлено, что при наличии перфорационных отверстий образцы при депрессиях около 140 ат начинали интенсивно «ползти». В результате в образцах не только образовывались макротрещины, но вокруг отверстий порода превращалась практически в песок. Само же перфорационное отверстие каждый раз было забито этим песком.

На основании результатов испытания образцов на скважине №338 в интервале необсаженного пласта 2325-2330 м была произведена перфорация. С помощью установленного в скважине №338 струйного насоса УГИС-5 на забое скважины создавалась депрессия, величина которой постоянно контролировалась с помощью глубинного манометра. Одновременно измерялся объем флюида, полученного из скважины, и определялся ее дебит. В ходе работ значения депрессии на забое скважины повышали ступенчато. Последовательно были отработаны два режима: Отработка скважины в течение 7 часов при депрессии на забое 14 МПа Общий объем отобранного флюида составил 15 куб.м. Отработка скважины в течение 1,5 часов при депрессии на забое 15 МПа Общий объем отобранного флюида составил 4,8 куб.м. После второй отработки выключили струйный насос и перевели скважину в эксплуатационный режим.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет вызывать усиленный приток флюида за счет разрушения грунта в призабойной зоне пласта и увеличения ее проницаемости и поэтому применим для любых видов флюидов.