Технология освоения глубокозалегающих коллекторов за счет тепловой обработки глубинными диссипаторами гидравлической энергии

Актуальность темы

Разработкой и внедрением методов освоения скважин активно занимаются все нефтедобывающие страны, так как эффективное освоение новых и возвратных скважин на эксплуатируемых месторождениях равносильно открытию новых. Учитывая, что новые методы освоения продуктивных горизонтов реализуются в регионах с развитой инфраструктурой, эффективность от их внедрения существенно выше по сравнению с поисками и разведкой новых месторождений.

Из всего многообразия термических способов освоения скважин и их дальнейшей эксплуатации в данной работе рассматриваются и сравниваются только два способа:

— непрерывное нагнетание горячей воды или пара в нагнетательные скважины и отбор нефти из добывающих скважин;

— циклическое нагнетание горячей воды или пара в пласт с последующими периодами выдержки и перевода скважины в режим добычи.

В качестве рабочего агента в первом случае применяются водяной пар и горячая вода, которые обладают высокими удельной теплоемкостью и неф-тевытесняющей способностью.

В промысловых условиях при нагнетании пара с поверхности по НКТ сухость пара в зоне продуктивного пласта не превышает 0,2−0,5, а при глубинах свыше 1000 м она близка к нулю. Процесс термообработки скважин сопровождается значительными потерями теплоты в распределительных сетях на поверхности и в НКТ (20−80%). Потери теплоты в трубопроводах на поверхности и в скважине зависят от темпа закачки пара в пласт и при темпах закачки 1−2 т/час могут достигать 80% при глубинах свыше 1000 м. При темпах закачки 5−10 т/час потери теплоты могут составлять 20−40% [6].

В пользу применения скважинных генераторов теплоты свидетельствуют также следующие сложившиеся в настоящее время в России факторы: высокая капиталоемкость термоэнергетического оборудования, повышенная стоимость бурения и обустройства паронагнетательных скважин. Это связано с высокой тепловой нагрузкой и ее цикличностью при температурах 180−270°С и выше. Термоциклические напряжения могут вызывать разрушение обсадных колонн и цементного кольца.

Учитывая высокую энерговооруженность нефтедобывающей отрасли России, которая сложилась в результате проведения энергетической политики в бывшем СССР и сохранилась в РФ в настоящее время, целесообразно развивать работы по созданию скважинных электротермических устройств. При этом электрическая мощность должна передаваться с поверхности к генератору теплоты высоким напряжением, что связано со значительной длиной и ограниченным сечением кабеля, следовательно, непригодны для использования омические нагреватели. Индукционные нагреватели требуют применения частотных преобразователей и точного согласования генератора напряжения и нагрузки. Применение электродного нагревателя с использованием в качестве проводника скважинной жидкости затруднительно вследствие ее высокой минерализации и, следовательно, низкого сопротивления и электролиза.

Кроме того, на скважинный генератор теплоты накладываются требования по электро-, теплои гидроизоляции в условиях высоких температур и давлений на глубине до 2000 м, а также ограниченного пространства приза-бойной зоны.

В данном случае целесообразно использовать двойное преобразование энергии — электрической в механическую и механической в тепловую. Для этой цели используется погружной электроприводной центробежный насос ЭЦН — устройство, предназначенное для работы в скважинных условиях. Альметьевский завод выпускает погружные электронасосы мощностью до 250 кВт.

Важный вклад в развитие техники и технологии термической обработки пластов внесли отечественные инженеры-нефтяники и геофизики. Вопросы теплопередачи при транспорте нефти в добычной скважине и трубопроводах изучены акад. Л. С. Лейбензоном и его школой (П.П.Шумилов, В.С.Я6-лонский, И.А.Исаев). Прогрев фунта от нефтяного трубопровода, вопросы застывания нефти и образования парафинистых пробок в тяжелых нефтях подробно рассмотрены А. А. Померанцевым и Е. А. Пистолькорсом. Эти результаты опубликованы в известном курсе «Нефтепромысловая механика» Л. С. Лейбензона (М., 1931). Указанные исследования и результаты превратили технологию нефтедобычи в научную дисциплину со своим множеством методов и научных направлений. Проблемы гидравлики и термики продуктивных пластов рассматривались такими видными учеными, как Н. Н. Павловский, В. Н. Щелканов, И. А. Чарный, Я. Б. Чекалюк, Маскет, Джефрайс, Чепмен и др.

В последние десятилетия систематические и результативные исследования и разработки способов освоения скважин, в частности тепловых, ведутся такими известными научными центрами, как Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, Уфимский государственный нефтяной технологический университет, Ухтинский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), БашНИПИнефть, ВолгоградНИПИ-нефть и др. Целый ряд конкретных теоретических и технологических задач теплового взаимодействия скважины и пласта, тепловых способов повышения дебита нефтяных эксплуатационных скважин успешно решен в трудах отечественных инженеров и ученых Р. А. Азимова, З. С. Алиева, А.И.Альхи-менко, И. М. Аметова, Д. Г. Антониади, Н. К. Байбакова, А. Р. Гарушева,.

A.И.Гриценко, Ю. Д. Дядькина, Б. И. Есьмана, Э. А. Загривного, В. И. Исаева, Б. Б. Кудряшова, Е. Г. Леонова, В. С. Литвиненко, Ю. М. Парийского, А. Г. Потапова, М. А. Пудовкина, А. Н. Саламатина, Г. А. Череменского, В. П. Черняка,.

B.АЛугунова, Р. И. Шищенко, А. Н. Щербаня и др.

Работа выполнена в НГДУ «Туймазанефтъ» под руководством доктора технических наук, профессора М. Р. Петриченко.

Актуальность темы

диссертационной работы подтверждается ее соответствием Государственной научно-технической программе «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов России» (Недра России).

Цель работы: Целью исследования является научное обоснование нового способа освоения продуктивных интервалов скважин путем генерации теплоты непосредственно в призабойной зоне скважины с помощью погружного (поднасосного) гидромеханического генератора теплоты (диссипатора) на базе относительно дешевого и доступного штатного оборудования, применяемого на промыслах.

Основная идея работы состоит в создании на базе серийного проверенного и надежного скважинного оборудования эффективного генератора теплоты при малых капитальных затратах.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих конкретных задач:

Аналитически описать процесс прогрева коллектора и разработать приближенную методику его расчета.

Аналитическим и расчетным путем рассмотреть возможности гидромеханического диссипатора энергии в качестве скважинного генератора теплоты.

Выполнить монтаж оборудования и оснастить контрольно-измерительной аппаратурой опытную скважину в нефтегазодобывающем управлении (НГДУ) «Туймазанефтъ» для выполнения экспериментальных исследований в условиях, максимально приближенных к производственным.

Разработать и изготовить макет ротационного диссипатора с погружным электродвигателем от серийного электрического центробежного. насоса (ЭЦН).

Экспериментально исследовать теплопроизводительность механического (ротационного) и гидравлического (гидросопротивление на выходе моноблока серийного ЭЦН) диссипаторов.

Сопоставить теоретические и экспериментальные данные, обосновать выбор перспективного варианта гидромеханического диссипатора в качестве скважинного генератора теплоты.

Научно обосновать принципиальные положения технологии нового способа увеличения добычи при освоении охлажденных и малодебитных коллекторов и дать практические рекомендации.

Методика исследования носит экспериментально-теоретический характер, включает использование математического анализа, количественные оценки и экспериментальную проверку тепловых эффектов диссипации гидромеханической энергии в призабойной зоне скважины и радиального распространения теплового влияния на окружающий нефтеносный коллектор.

В отношении диссипации механической и гидравлической энергии основной количественный материал получен экспериментально на опытно-промышленной установке. Количественный анализ, как правило, ограничен гидравлическими приближениями. В необходимых случаях используются неодномерные (плоские) модели движения жидкости и распространения теплоты. При этом используются известные методы и решения, чем обеспечивается простота и надежность количественных оценок. Достоверность прогнозов оценивается экспериментально в условиях, максимально приближенных к производственным, и с привлечением современных методов статистической обработки измеренных величин и определения их значимости.

Обоснование методики экспериментальных исследований и обработка их результатов проводились на ПЭВМ типа Репйшп с использованием теории планирования эксперимента и математической статистики.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем: научно обоснована целесообразность размещения генератора теплоты для повышения отдачи нефтеносного коллектора, залегающего на глубине 2000 м и более, непосредственно в скважине на глубине его залеганияпоскольку обеспечение достаточной теплопроизводительности омического или индукционного генератора представляет особо высокие требования к условиям канализации тока, к конструкции специального электрокабеля повышенного сечения, доказана возможность и эффективность тепловой обработки глубокозалегающегб продуктивного горизонта за счет преобразования электрической энергии в энергию потока скважинного флюида с последующей диссипацией ее в теплотуустановлены основные закономерности принудительного нагрева изолированного в скважине флюида с применением механического или гидравлического диссипатора энергии и последующей доставки горячего флюида холодной водой в пористый коллектор.

Научная новизна.

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено малое влияние теплообмена изолированного в призабойной зоне скважины флюида с окружающими породами на продолжительность его принудительного дис-сипативного нагрева до температур, обеспечивающих кратное повышение коэффициента вытеснения нефти из коллектора.

Аналитическим путем показана реальная возможность доставки горячего флюида в пористый коллектор холодной водой с расходами до 20 кг/с практически адиабатно с температурой, близкой к концу процесса диссипа-тивного разогрева.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена применением современной методики теоретических и экспериментальных исследований, достаточно большим объемом экспериментов, выполненных в условиях, максимально приближенных к производственным, вполне удовлетворительным совпадением расчетных и опытных данных, работоспособностью испытанных скважинных диссипаторов энергии потока флюида и практическим применением предложенной технологии на скважинах НГДУ «Туймазанефть».

Практическая значимость работы заключается в следующем: установлена реальная возможность обеспечения необходимой для более эффективного процесса освоения пласта теплопроизводительности скважинного диссипатора энергии, основанного на дросселировании потока жидкости стандартным погружным электронасосом (ЭЦН) в изолированном участке ствола скважиныреализация предложенного способа теплового воздействия на малодебит-ный пласт не требует сложных опытно-конструкторских разработок и существенных капиталовложений, поскольку скважинный гидравлический диссипатор состоит из штатных устройств, широко используемых на нефтяных промыслахсформулированы конкретные требования к конструкции скважинного механического диссипатора, основанного на электроприводном вращении оребренного диска в оребренном кожухе при многоступенчатом исполнении.

Апробация работы. Результаты исследования и основные положения диссертации докладывались на ежегодной научно-методической конференции СПбГТУ «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (Санкт-Петербург, 26 января 2000 г.), а также обсуждались на научно-техническом совете НГДУ «Туймазанефть» и на семинарах Уфимского государственного нефтяного технологического университета.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 6 статей в сборниках научных трудов из которых 2 статьи депонированы в ВИНИТИ, 2 доклада на международных конференциях, получен патент на изобретение и положительное решение на выдачу патента.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 67 наименований, изложена на 108 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков и 4 таблицы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Среди многочисленных существующих в настоящее время разнообразных способов и средств искусственного воздействия на продуктивные горизонты с целью увеличения дебитов скважин и улучшения характеристик призабойной зоны пласта наиболее эффективными, в условиях низкотемпературных продуктивных объектов и парафинистых нефтей, являются тепловые способы.

2. Закачка в эксплуатационные скважины горячих жидких и газообразных теплоносителей (вода, нефть, конденсат, пар) связана с большими затратами на их принудительный нагрев на поверхности и сопровождается весьма значительными нерациональными потерями тепловой энергии на бесполезный подогрев верхних горизонтов окружающего массива и ствола скважины.

3. Из организационных, технических и экономических соображений для повышения дебитов скважин в процессе освоения при глубине эксплуатационных скважин 2000 м и более целесообразно размещение генератора тепловой энергии непосредственно в обрабатываемой зоне продуктивного горизонта. Однако поднасосное размещение омического или индукционного теплового генератора предъявляет особые требования к условиям канализации тока, к конструкции электрокабеля повышенного сечения, вызывает необходимость двойного преобразования электрической энергии, без чего применение скважинных электрогенераторов теплоты не может быть достаточно надежным и экономически эффективным.

4. В современных сложных экономических условиях по целому ряду технических и организационных причин представляется целесообразным обеспечить генерацию теплоты на любых по глубине участках эксплуатационных скважин за счет диссипации гидравлической энергии погружного насоса или применения гидромеханического диссипатора с использованием относительно дешевого и доступного оборудования и электрокабелей, которыми в достаточном количестве оснащены нефтедобывающие предприятия, широко эксплуатирующие погружные электронасосы. с .

5. Наиболее интенсивный рост коэффициента вытеснения нефти подогретыми скважинными флюидами наблюдается при повышении их температуры от 30 до 90 °C, при этом его значение находится в прямой зависимости от температуры и достигает 58%.

6. Аналитическим путем установлено малое влияние теплообмена флюида, изолированного пакером в призабойной зоне скважины, с окружающим массивом на время его принудительного нагрева с помощью механического или гидравлического диссипатора энергии (при снижении теплоотдачи на два порядка скорость нагрева возрастает на порядок), что дает реальную возможность достижения температур, обеспечивающих высокие значения коэффициента вытеснения нефти из коллектора.

7. Теоретически выполненные качественные оценки показывают, что при вытеснении нагретого в призабойной зоне флюида холодной водой с расходами до 20 кг/с он может быть доставлен в пористый коллектор практически адиабатно с температурой, близкой к температуре конца фазы дис-сипативного разогрева.

8. Поскольку гидравлический радиус влияния скважины связан с продолжительностью подачи жидкости, из теоретических соображений следует, что, во-первых, процесс теплопередачи в пласте, вызываемый фильтрацией горячего флюида сквозь насыщенный холодной эмульсией коллектор, квази-стационарен и, во-вторых, это гарантирует доставку горячего флюида к добывающим скважинам в пределах радиуса влияния.

9. Теоретический анализ и выполненные расчеты показали возможность получения достаточной для поставленных практических целей тепло-производительности гидравлического диссипатора энергии, основанного на дросселировании потока жидкости от штатного погружного электронасоса, а механического диссипатора, основанного на электроприводном вращении диска в жидкости, — только при его оребрении (облопачивании), вращении в оребренном кожухе и многоступенчатом исполнении.

10. Экспериментальные исследования в условиях, максимально приближенных к производственным, выполненные на специально оснащенном контрольно-измерительной аппаратурой стенда в виде опытной скважины в НГДУ «Туймазанефть», полностью подтвердил все основные теоретические положения, а расчетные данные по теплопроизводительности скважинных диссипаторов гидравлической или механической энергии дали вполне удовлетворительное совпадение с опытными (отклонения в пределах ± 15%).

11. Исследования макета гидромеханического диссипатора на опытном стенде показали его достаточную тепловую эффективность при высокой вязкости жидкости, а по мере ее естественного снижения с ростом температуры интенсивность нагрева снижается, кроме того, ротационный диссипатор для обеспечения его тепловой эффективности и длительной работоспособности требует изготовления в условиях высокотехнологичного производства.

12. Стендовые исследования гидравлического диссипатора, основанного на дросселировании потока жидкости, показали, что его теплопроизводи-тельность складывается из теплоты, выделяемой за счет потерь энергии в статорной обмотке, электротехнической стали и подшипниках электронагревателя, теплоты от ротационного действия ступеней погружного насоса и теплоты, выделяемой в редукторе на его выходе, и практически не зависит от температуры флюида, циркулирующего в изолированной пакером призабой-ной зоне скважины.

13. Скважинный диссипатор, основанный на дросселировании потока жидкости, не требует значительных капитальных вложений при проектировании и внедрении, высокотехнологичного изготовления его элементов, состоит из штатных устройств, используемых на нефтяных промыслах (насосы, дроссели, редукторы), отсутствует необходимость в создании служб для ре-мента и профилактики диссипационного оборудования, механизмов для его.