9.18. Виброобработка забоев скважин

Назначение и условия проведения вибрационной обработки

Вибрационная обработка — воздействие на ПЗП пульсирующи­ми давлением и скоростью движения жидкости в затрубном про­странстве. Благодаря наличию жидкости в порах породы обрабаты­ваемого пласта по нему распространяются не только создаваемые искусственно колебания, но и возникают отраженные волны. Пу­тем подбора частоты колебания давления можно добиться резонан­са (синхронности, равенства) распространения обеих волн, в резуль­тате чего возникнут нарушения в пористой среде из-за ее неодно­родности, т.е. увеличится проводимость пласта. В ПЗС, находящей­ся наиболее близко к источнику создаваемых колебаний, будут про­исходить наибольшие нарушения.

Вибровоздействие способствует также снижению вязкости и по­верхностного натяжения нефти на границе с водой, разрушению структуры смолистых и парафинистых составляющих нефти.

В соответствии с приведенным механизмом действия колеба­тельных процессов в пласте вибровоздействие на ПЗП применяется для увеличения притока нефти в добывающих скважинах, приеми­стости нагнетательных скважин, повышения эффективности ГРП и солянокислотных обработок.

Вибровоздействие рекомендуют проводить в скважинах, в кото­рых призабойная зона ухудшена в процессе вскрытия пласта; в низ­копроницаемых и глинистых пластах: перед кислотной обработкой, ГРП или обработкой ПАВ.

Не рекомендуют проводить вибровоздействие в скважинах, технически неисправных (нарушенная эксплуатационная колон­на, негерметичное цементное кольцо); расположенных близко от ВНК; сильно поглощающих жидкость и имеющих низкие пласто­вые давления. Анализом промысловых данных установлено, что вибровоздействие дает положительные результаты в скважинах, где величина пластового давления близка к гидростатическому давле­нию столба жидкости. В этом случае величины пластовых давлений достаточны для получения отраженных волн, сильных импульсов и резонанса столба жидкости, что способствует образованию ми­кротрещин.

В скважинах с высоким пластовым давлением и низкой про­ницаемостью не обеспечивается в достаточной степени оптималь­ного режима работы вибратора. В таких скважинах без примене­ния специальной технологии нельзя добиться эффективности об­работок.

В качестве рабочей жидкости при вибровоздействии в нефтяных скважинах используются нефть, соляная кислота, керосин и их сме­си; в водонагнетательных скважинах — вода, соляная кислота и дру­гие жидкости на водной основе.

Техника для проведения вибрационного воздействия

Вибровоздействие на ПЗП производят в основном гидравличе­скими вибраторами. Существуют вибраторы золотникового типа и гидроударники.

Гидравлический вибратор золотникового типа (ГВЗ) создает ко­лебания давления вследствие периодического перекрытия золот­ником потока рабочей жидкости. ГВЗ имеет следующее устройство (рис. 9.12).

В корпусе жестко закрепляется ствол в виде стакана с щелевидны- ми прорезями на его образующей. Внизу цилиндра имеется отверстие. На стволе вращается золотник (под­вижный элемент, направляющий поток жидкости или газа в нужный канал через отверстия) также с ще­левыми прорезями вдоль образую­щей. Прорези в стволе и золотни­ке выполнены под некоторым углом к их образующим. Однако направле­ния прирезей в стволе и золотнике противоположные. Таким образом, создается как бы турбинное устрой­ство, у которого направляющим ап­паратом является ствол, а рабочим колесом — золотник. В стволе так­же имеются пусковые отверстия для запуска золотника при перекрытии щелей в стволе.

Закачиваемая рабочая жидкость проходит через щели в стволе и по­падает в щели в золотнике. В этот момент, из-за расположения отвер­стий под углом друг к другу, золот­ник начинает вращаться под дей­ствием струи жидкости. Во время своего вращения золотник перио­дически перекрывает щели в стволе, что приводит к созданию гидравли­ческих импульсов (ударов).

Частота гидравлических ударов зависит от числа щелей в золотнике и его оборотов . ГВЗ могут создавать колебательные движения с частотой до 30000 Гц.

Рис. 9.12 Гидравлический вибратор золотникового типа (ГВЗ): 1-ствол; 2-шариковые опоры; 3-циклический золотник.

Гидравлический удар сопровождается резким подъемом давле­ния, а это способствует резкому импульсивному истечению жидко­сти из отверстия в нижней части ствола. Периодическое истечение Жидкости из щелей при вращении золотника приводит к образо­ванию циклических колебаний в жидкости в затрубном простран­стве. Кроме созданных вращающимся золотником колебаний об­разуются еще сложные колебания за счет появления отраженных волн.

Исследованиями установлено, что резонансные явления могут возникнуть только при очень низких частотах (несколько герц) соз­даваемых колебаний. Если частота колебаний достигает сотен герц, то в скважинах глубиной 1000—5000 м резонанс не возникнет. Сле­довательно, эффективность обработки снизится.

При работе гидравлического вибратора НКТ удлиняются. На­пример, при длине НКТ 1500 м и давлении 5, 10 и 20 МПа удлинение составит соответственно 0,4, 0,8 и 1,5 м; а при длине НКТ 2000 м при тех же давлениях — 0,5; 1,0 и 2,0 м.

Для устранения самопроизвольного отворачивания или поло­мок НКТ на больших глубинах применяют амортизатор. Он снижа­ет амплитуду упругих волн, распространяющихся от вибратора по металлу НКТ (рис. 9.13). Усилия, возникающие вдоль оси аморти­затора, передаются на резиновый шнур. Последний деформируется и уменьшает передачу силовых импульсов на НКТ.

Рис. 9.13. Амортизатор резиновый: 1 — корпус; 2 — резиновый шнур; 3 — винт

Когда рабочая жидкость подводится к вибратору по НКТ, толь­ко 50% энергии давления колебания передается в жидкость в затруб­ном пространстве. Поэтому разработаны конструкции вибраторов, к которым рабочая жидкость подводится через затрубное простран­ство. При этом рабочая жидкость входит в контакт с призабойной зоной пласта, затем поступает в специальный фильтр для очистки и по НКТ поднимается на поверхность — в емкость для циркуляции. Возникающие в вибраторе гидроударные импульсы (колебания дав­ления) непосредственно воздействуют на ПЗП.

Преимущества этой конструкции вибратора заключаются в сле­дующем: отпадает необходимость перемещения его по толщине пла­ста, так как столб жидкости в затрубном пространстве раскачивает­ся в значительном интервале; трещины, образовавшиеся за счет ко­лебания давления, можно закреплять песком путем добавления его порций в рабочую жидкость.

Для воздействия на большую толщину пласта или одновремен­ного воздействия на верхние продуктивные пласты применяют шланговый вибратор.

Его устанавливают выше основного гидравлического вибрато­ра. Для работы шлангового вибратора используется отраженная вол­на, распространяемая вверх по НКТ. В вибраторах типа ГВЗ энер­гия этой волны бесполезно терялась. Шланговый вибратор состоит из ниппеля и муфты, соединенных между собой перфорированной трубой. Внутри этой трубы находится шланг, через который прохо­дит рабочая жидкость и далее поступает в гидравлический вибратор (рис. 9.14). В зависимости от эластичности трубы, ее радиуса, тол­щины стенок и других параметров часть энергии передается жидко­сти в затрубном пространстве.

Для повышения эффективности воздействия на истощенные пласты шланговый вибратор изготавливают из эластичного матери­ала и, наоборот, для более эффективного воздействия на насышеные

со шланговым вибратором. 1 — двухзамковые элементы ниппеля и муфты; 2 — перфорированная труба; 3 — шланг

пласты рекомендуют максимально усилить жесткость шлан­гового вибратора. Вибраторы типа ГВЗ не рассчитаны для рабочих жидкостей с абразивными примесями, применяемых из-за необхо­димости закрепления создаваемых трещин. Для этой цели разрабо­тана конструкция вибратора с фильтрующим устройством ВФ-108.

Фильтр крепится к вибратору сверху и состоит из внешней и вну­тренней перфорированных труб, между которыми находится филь­трующая сетка. В нижней части фильтра имеется трубчатый хво­стовик, вставляемый в ствол вибратора. Снаружи фильтра имеется корпус. Между нижним концом фильтра и стволом вибратора уста­навливают втулку для подвода отфильтрованной рабочей жидкости к вибратору.

Рабочая жидкость, поступая по НКТ во внутрь фильтра, делится на два потока. Один из них с песком идет по трубчатому хвостови­ку фильтра, минуя рабочую полость вибратора. Другой поток, очи­щенный от песка, попадает в кольцевое пространство между внеш­ней трубой фильтра и его корпусом, затем через окна втулки направ­ляется в зазор между стволом вибратора и трубчатым хвостовиком фильтра и приводит во вращение золотник вибратора.

Рис. 9.15. Гидравлический вибратор шиберный торцовый: 1 — полый шпиндель с центральным каналом; 2 — аппараты; 3 — уплотнительные резиновые кольца; 4 — муфта; 5 — напорная втулка; 6 - шиберный затвор-прерыватель; 7 — шайба

Для увеличения срока службы быстро изнашивающихся дета­лей ГВЗ разработана конструкция шиберного торцового вибрато­ра ВШТ-85 (рис. 9.15). Вибратор состоит из полого шпинделя, на который надеты два направляющих аппарата. Внутренняя полость шпинделя заканчивается центральным калибровочным каналом в нижней его части. Имеются также отверстия по образующей шпин­деля, которые соединяются с полостями направляющих аппара­тов. С внутренней торцовой части направляющих аппаратов имеют­ся сопла (каналы переменного сечения), расположенные под углом к торцовой плоскости. Между направляющими аппаратами устанав­ливается втулка, а на нее надевается свободно вращающийся пре­рыватель в виде торцового шибера (золотника). С обоих торцов пре­рывателя имеются прорези, расположенные под углом, но в проти­воположном направлении к соплам аппаратов. Прерыватель в ме­сте насадки на втулку имеет поверхность, покрытую резиной. По­следняя служит подшипником и увеличивает срок службы вибрато­ра в несколько раз.

Жидкость, попадая в вибратор, разделяется на три потока: один поток проходит через центральный калибровочный канал, два по­тока проходят через сопла двух направляющих аппаратов, взаимо­действуют с пазами (прорезями) прерывателя и заставляют его вра­щаться. При этом периодически перекрываются сопла направляю­щих аппаратов, что приводит к колебаниям давления. Выходящая из калибровочного канала жидкость создает в затрубном пространстве волны давления и разряжения.

Имеется также конструкция вибратора, спускаемого в скважину без подъема НКТ. Для свободного прохождения вибратора внутрен­ний диаметр НКТ должен быть на 4—6 мм больше наружного диаметра вибратора. Для удержания вставного вибратора на нижнем конце НКТ устанавливают специальный патрубок с соединительной ниппельной резьбой и конической расточкой на концах. Со стороны резьбового конца патрубка имеется бурт для посадки вибратора и создания плот­ного прилегания для исключения утечек рабочей жидкости.

Технология проведения вибрационного воздействия

Основными технологическими параметрами вибровоздействия являются сход и давление закачивания рабочей жидкости для дан­ного типоразмера вибратора.

С увеличением расхода жидкости амплитуда колебаний давления в затрубном пространстве увеличивается. Соответственно увеличи­вается частота пульсации давления. Например, при увеличении рас­хода от 7 до 50 л/с частота увеличивается от 60 до 500 Гц. Амплиту­ды колебаний давления также сильно зависят от площади попереч­ного сечения кольцевого пространства между вибратором и эксплу­атационной колонной.

Для правильного осуществления процесса вибровоздействия не­обходимо знать зависимость необходимого давления на устье и мак­симального абсолютного давления при гидравлическом ударе от глу­бины скважины.

Перед вибровоздействием скважину исследуют: определяют де­бит, забойное и пластовое давления, содержание воды в добываемой продукции, коэффициенты продуктивности и приемистости. Для нагнетательных скважин достаточно определение только коэффи­циента приемистости.

По данным исследования составляется план работ. В плане при­водятся геолого-промысловые данные о скважине и технологиче­ская схема проведения операции, включающая в себя: глубину спу­ска вибратора и диаметр НКТ; объемы рабочей и продавочной жид­костей; ориентировочная величина ожидаемого давления; число и мощность агрегатов; последовательность работы и темпы закачи­вания жидкостей.

При планировании параметров технологии вибровоздействия важно знать, какие нагрузки и напряжения испытывают НКТ во время работы вибратора и как будет изменяться среднее давление в зависимости от расхода рабочей жидкости. ГВЗ спускают на НКТ и устанавливают против запланированной для обработки части про­дуктивного пласта. Место соединения вибратора с НКТ стопорят или заваривают для исключения самоотворачивания его в процес­се работы. Над вибратором помещают фильтр для исключения попа­дания в него твердых осадков. Обвязывают устье скважины с назем­ным оборудованием (рис. 9.16).

Число агрегатов и их тип устанавливают в зависимости от вида рабочей жидкости и типа вибратора.' Рабочую жидкость (соляную кислоту, нефть, керосин или их смеси в нефтяных скважинах; воду, соляную кислоту и другие жидкости на водной основе — в нагне­тательных скважинах) закачивают по НКТ насосными агрегатами. Объем рабочей жидкости на одну обработку составляет 80—100 м³; время обработки — 5—8 ч. При давлениях закачивания 40—50 МПа применяют пакеры.

Вибратор запускают в работу путем прокачивания в течение 5—8 мин рабочей жидкости с расходом 5—10 л/с. Затем расход постепен­но увеличивают и доводят его до оптимального значения для данно­го типа вибратора.

Рабочую жидкость начинают закачивать в НКТ при открытом за­трубном пространстве. После появления циркуляции через затрубное пространство его закрывают. Закачивают в скважину весь объем рабочей жидкости, а затем продавочную жидкость. С увеличением давления закачивания на устье свыше 30 МПа и при резком возрас­тании давления в затрубном пространстве его открывают. При этом рабочую жидкость направляют в специальную емкость для дальней­шего использования.

В процессе обработки регистрируют давление и расход. По окон­чании обработки поднимают НКТ с вибратором, спускают глубин­ное оборудование и скважину вводят в эксплуатацию путем плавно­го запуска.

Рис. 9.16. Схема расположения оборудования и обвязки устья при виброкислотной обработке скважины: 1 — гидравлический вибратор; 2 — тяжелый низ; 3 — глинистая корка; 4 — цементное кольцо; 5 — амортизатор; 6 — двухсторонняя заливочная головка;

7 — выкидные линии НКТ; 8 — манометр;

9 — выкидные линии затрубного пространства;

10 — установки насосные УН1-630Х700А (агрегаты 4АН-700);

11 — агрегаты ЦА-320М; 12 - автоцистерна; 13 - резервуар

Применение виброструйного устройства УВС-1

Известно, что струйный насос привлекателен тем, что надежен в работе, и с его помощью можно извлечь из пласта большой объем жидкости, что во многих случаях является достаточным фактором для успешного освоения скважин. В то же время, ввиду особенно­сти постепенного создания на забое разряжения (депрессии), насос может не справиться с задачей выноса загрязняющих частиц из при- забойной зоны скважины. Фактически в околоствольной зоне сква­жины жидкость фильтруется через малую площадь пористой сре­ды, и если эта жидкость имеет большую концентрацию загрязняю­щих частиц, то пористая среда в непосредственной близости от ство­ла скважины может ими заблокироваться. В этом случае происхо­дит обратный эффект — снижение проницаемости и, как следствие, падение продуктивности скважины. Причем разблокировать такого рода искусственно созданную зону кольматации бывает довольно сложно. Обычно, именно в таких случаях производственники при­меняют обработку гидроимпульсным насосом или пульсатором, ко­торые в силу своего импульсного, широкоамплитудного характера воздействия, успешно справляются с такого рода кольматацией.

В данном случае можно утверждать, что сначала пульсатор, рас­средоточивая зону загрязнения в большом объеме пористой среды, делая концентрацию загрязняющих частиц в дренируемой жидкости настолько малой, что струйному насосу создаются условия достаточ­но легко извлечь необходимый объем этой жидкости из пласта.

УВС-1 в режиме

УВС-1 п режиме струйного насоса пульсатора

Рис. 9.17. Схема работы виброструйного устройства УВС-1

Таким образом, учитывая данные особенности, была спрог­нозирована необходимость создания устройства, совмещающего в себе струйный насос и пульсатор. В настоящее время разработа­но и внедрено устройство виброструйное УВС-1, позволяющее осу­ществлять комплексное попеременное воздействие на призабойную зону пласта в режиме пульсатора (репрессия) и в режиме струйного насоса (депрессия). Причем такое попеременное воздействие про­изводится без подъема оборудования из скважины, что значитель­но снижает трудоемкость проводимых работ. Принцип действия устройства заключается в том, что при подаче рабочей жидкости в насосно-компрессорные трубы, на которых устройство спускает­ся, оно работает как струйный насос, а при подаче рабочей жидкости в затрубное пространство — как пульсатор.

Виброструйное устройство УВС-1 позволяет проводить работы в скважине, как в режиме струйного насоса, так и в режиме пульса­тора, не поднимая из скважины оборудования.

При таком сочетании воздействия очистка призабойной зоны пласта происходит наиболее качественно и эффективно. Помощь гидродинамического пульсатора струйному насосу в этом случае очевидна: во-первых, пульсатор подключает к очистке более уда­ленную зону пласта, во-вторых, пульсатор при периодическом его подключении разбивает зону кольматации, образованную в около­ствольной зоне при работе струйного насоса.