1.2 Развитие методов обработки пластов с использованием виброволнового воздействия

Впервые метод обработки призабойных зон нагнетательных и добывающих скважин, использующий виброволновое воздействие, был испытан на нефтяных промыслах еще в 60-х годах, и сразу же были получены достаточно обнадеживающие данные по его технологической эффективности. Тем не менее, дальнейший опыт показал, что для достижения высокой успешности и рентабельности метода, при его применении в осложненных геолого-промысловых условиях эксплуатации скважин, необходимо осуществление целого ряда теоретических, лабораторных и промысловых исследований, конструкторских и технологических изысканий.

Наряду с этим, в 60-х годах на нефтяных месторождениях СССР начали применять воздействие упругими колебаниями на призабойную зону пласта (ПЗП) с помощью спускаемых в скважины различных забойных устройств. Именно в этом направлении были достигнуты наиболее впечатляющие предпосылки для развития виброволнового метода. Наибольшее распространение получили генераторы, использующие для работы гидродинамический напор закачиваемой в скважину технологической жидкости (вода, растворы ПАВ, нефть, растворители, кислоты и др.). Это, например, известные вибратор ГВЗ золотникового типа конструкции МИНГ [1,2], вставной пульсатор ПВ-54 клапанного типа конструкции ТатНИПИнефти [2]. Так, по данным МИНГ за период с 1967 по 1985 г. с помощью вибратора ГВЗ-108 проведено около 6000 обработок скважин. Успешность работ составила 70 %. Продолжительность эффекта 1-1,5 года. Общий прирост добычи нефти по ним превысил более 5 млн. т, увеличение приемистости по нагнетательным скважинам 15 млн. м³ . По данным ТатНИПИ нефти, с использованием пульсаторов ПВ-54 за период 1984-1985 гг. обработано 100 нагнетательных скважин с успешностью 80%. Приемистость скважин увеличилась в среднем на 25 %, эффект продолжался в течение 60-90 сут.

В ИГД СО АН СССР проводились работы по разработке электромагнитного скважинного виброисточника работающего на электроэнергии, подводимой по кабелю с устья скважины.

Особую группу составляют забойные ударно-импульсные воздействия. К ним относятся термогазохимическое воздействие (ТГХВ), разрыв пласта давлением пороховых газов, виброфрак, стереофрак, воздействие гидроимпульсами, создаваемыми взрывами газообразных смесей, электрогидравлическое воздействие, ударное воздействие резким снятием давления с пакера или на устье скважины, создание управляемых депрессий и др.

Среди этих методов наибольшее применение на месторождениях России, а также стран СНГ получили термогазохимическое воздействие с помощью аккумуляторов давления АДС [4] и разрыв пласта с помощью пороховых генераторов [6].

Успешность внедрения метода ТГХВ в среднем составила около 60 % в эксплуатационных скважинах (по 1036 обработкам) и около 70 % в нагнетательных скважинах (по 270 обработкам). В среднем на одну успешную обработку добыто около 900 т нефти, дополнительно закачано воды 34 тыс. м³ . Средняя продолжительность эффекта 8 мес. При использовании генераторов ПГДБК на 400 скважинах успешность составила 70 %, дополнительная добыча нефти в среднем по успешным обработкам достигла 500 т, продолжительность эксплуатации скважин с повышенным дебитом до 2,5 - 5 лет.

Время горения пороховых зарядов АДС исчисляется секундами, но может достигать и 200 с, не считая последующего времени пульсации газового пузыря. Давление на забое скважины растет достаточно медленно и не должно приводить к разрыву пласта. АДС оказывает импульсное гидравлическое, тепловое и физико-химическое воздействия. При горении пороховых зарядов ПГДБК время действия максимального давления составляет доли секунды, общее время воздействия с учетом пульсации газового пузыря 10-20 с, значение максимального давления может в два раза превышать горное давление. В радиусе 5-6 м от скважины образуется несколько разветвленных трещин, которые не смыкаются после снятия давления, поэтому, в отличие от гидроразрыва, отпадает необходимость их закрепления песком.

Взрывчатые вещества (ВВ) могут использоваться также для образования широко разветвленных трещин в ПЗП. Твердое ВВ типа нитрата аммония или тринитротолуола измельчается и в виде суспензии подается на забой скважины, а затем задавливается в пласт. При этом измельченное ВВ скапливается в естественных трещинах. Затем в скважину спускают запальное устройство и взрывают. При взрыве детонируют ВВ в трещинах и пустотах ПЗП, образуется протяженная сеть глубоких трещин.

Па нефтяных месторождениях Техаса в 1958 г. впервые был успешно применен способ разрыва пласта, получивший название "виброфрак". Сущность метода заключается в создании в ПЗП гармонических ударных волн за счет особого размещения специальных зарядов. В отличие от обычных взрывов ВВ, при которых разрушающее усилие распространяется вглубь пласта, постепенно затухая, при виброфраке гармонически следующие по времени пики давления заставляют образовывающиеся трещины вибрировать - смыкаться и расширяться, что приводит к гораздо более значительному последующему увеличению проницаемости ПЗП. Разновидностью виброфрака является стереофрак, где применяется специальная фокусировка кумулятивных зарядов.

Несмотря на успешные результаты, широкое распространение импульсно-ударных методов на месторождениях в геолого-промысловых условиях, основанных на использовании взрывчатых веществ, сдерживается их невысокой эффективностью, недостаточной надежностью и весьма существенными проблемами безопасности.

К импульсно-ударным методам также относится электрогидравлический (ЭГВ) метод обработки скважин, где для получения импульсов давления используется эффект от электрического пробоя скважинной жидкости между электродами скважинного устройства. Помимо электромагнитного излучения разряда и выделяющегося тепла, в скважинной жидкости образуются импульс давления, газопаровая полость и ее последующее пульсирующее схлопывание. Для этого метода были разработаны скважинные ЭГВ генераторы конструкций СКТБ "Электрогидравлика" АН УССР, СКИФ-4 ПКБЭ АН УССР, ЛИСИ, ИФИНГ, Октябрьского филиала Уфимского нефтяного института, фирмы "Соникс интернешнл инк.", которые могут выдавать электрические разряды в скважинах с частотами от 0,05 до 10 Гц [5,6]. Метод прошел испытания на месторождениях России, СНГ, в США в штате Техас. Так, например, на месторождениях АПК "Башнефть" 60% обработок оказались успешными, с длительностью эффекта в среднем более 7 мес. Дополнительная добыча нефти на одну обработку в среднем составила свыше 200 т. Наилучший эффект был достигнут при обработках скважин, в которых снижение продуктивности было вызвано отложениями минеральных солей на стенках обсадной колонны скважины и в ПЗП.

Метод ЭГВ не получил широкого распространения из-за невысокой эффективности, в особенности при его использовании на глубоких скважинах. Это объясняется тем, что для образования разряда и газопаровой полости в жидкости требуется напряжение в десятки тысяч вольт, с ростом глубины и давления в жидкости необходимо все больше увеличивать подаваемое напряжение, причем также сильно возрастают электрические потери в кабеле.

На артезианских скважинах г. Минска был испытан гидроимпульсный метод Белорусского политехнического института [2]. Метод основан на использовании энергии взрыва смеси водорода и кислорода, которую получают электролизом воды на забое скважины. Способ успешно опробован на 20 неглубоких артезианских скважинах, при этом их дебиты возросли в 1,5-2,5 раза. На более глубоких скважинах он не нашел применения из-за резкого снижения его эффективности с увеличением глубины скважин.

Переходя к описанию состояния призабойной зоны скважин и ее "отклика" на воздействие упругими колебаниями, остановимся на разъяснении термина "виброволновое воздействие", который использован в названии темы и будет употребляться в дальнейшем в контексте с общим раскрытием темы. Для обозначения воздействия на призабойную зону пласта упругими колебаниями существует много различных терминов: "вибрационное", "акустическое", "гидроакустическое", "волновое", "гидроволновое" и т.д. Эти термины часто применяются для обозначения одного и того же процесса и, по существу, не несут в себе физического смысла. Для ясности остановимся на термине "виброволновое воздействие". Тем более, как свидетельствует литература, максимальный "отклик" ПЗП на воздействие упругими колебаниями находится в избирательном низкочастотном диапазоне 20-300 Гц, а глубина эффективного воздействия, определяемая пространственно-энергетическим распределением упругих колебаний и энергетическими порогами наступления эффектов, достигает от нескольких до 10 метров и более. Это расстояния в среде пласта для рассматриваемых частот порядка длины волны. Воздействие упругими колебаниями на ПЗП при этом охватывает области вибрации среды и области формирования упругой волны в среде, а также области вступления волны в среду. Таким образом, термин "виброволновое воздействие" обозначает реальную глубину охвата ПЗП воздействием и несет в себе смысл оптимальности его осуществления по частотному диапазону.