RU2090749C1 - Device for fracturing of formation - Google Patents

Abstract

FIELD: means for oil recovery. SUBSTANCE: method includes thermal gas generator. It has charge of combustible material and secondary furnace having nozzle-shaped openings. Device has two implosive air chambers, connecting coupling and transducers. Implosive chambers have control valves for isolation of implosive chamber from ambient medium and valve for air relief. Connecting coupling is made with through slots located between implosive chambers and provides for communication through it and controlled valves of ambient medium with implosive chambers in working position of device. Transducers serve to measure pressure and temperature and located inside and outside of implosive chambers. Besides, device has cylinder with acid or filler. EFFECT: higher efficiency of formation treatment and treatment of down-hole formation zone due to combination of physical and chemical methods. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к средствам для добычи нефти. The present invention relates to means for oil production.

Известны способы воздействия на призабойную зону пласта для повышения притока, в которых для образования трещин используется сила взрыва порохового заряда в стволе скважины [1] При взрыве заряда, установленного в скважине против продуктивного пласта, образуется каверна, увеличивающая диаметр скважины и сеть трещин, расходящихся от скважины в радиальном направлении (гидроразрыв пласта). Known methods of influencing the bottom-hole zone of the formation to increase the inflow, in which the force of the explosion of the powder charge in the wellbore is used to form cracks [1] When the charge is installed in the well against the reservoir, a cavity is formed that increases the diameter of the well and a network of cracks diverging from wells in the radial direction (hydraulic fracturing).

На том же принципе воздействия на пласт основано использование порохового заряда замедленного действия (ракетного топлива). Напротив перфорированного интервала устанавливается цилиндр, заполненный твердым топливом. При поджигании топлива происходит взрыв длительностью 40 мс, в результате которого образуется большое количество углекислого газа. Давления углекислого газа достаточно для образования в окружающей породе длинных трещин (гидроразрыв пласта) [2]
Методы повышения производительности скважин, подобные описанным выше, и основанные на использовании силы взрыва, далеко не всегда приносят ожидаемый эффект и часто приводят к повреждению обсадной колонны и/или разрушению скважин. Кроме того, при использовании быстрогорящих зарядов в нефтяном пласте образуются вертикальные трещины, которые иногда не имеют сообщения с зной перфорации, что снижает эффект. Известны случаи спекания поверхностного слоя пласта, что приводит к снижению коллекторских свойств образованию кольматационного экрана. Продукты разрушения пласта перекрывают перфорационные отверстия, что также является отрицательным фактором. Конструкции известных газогенераторов также обладают рядом недостатков.The use of a delayed-action powder charge (rocket fuel) is based on the same principle of stimulating the formation. A cylinder filled with solid fuel is mounted opposite the perforated interval. When a fuel is ignited, an explosion lasts 40 ms, resulting in the formation of a large amount of carbon dioxide. The carbon dioxide pressure is sufficient to form long cracks in the surrounding rock (hydraulic fracturing) [2]
Methods to increase well productivity, similar to those described above, and based on the use of explosion power, do not always bring the expected effect and often lead to damage to the casing string and / or destruction of the wells. In addition, when using quick-burning charges in the oil reservoir, vertical cracks are formed, which sometimes do not communicate with the heat of perforation, which reduces the effect. There are known cases of sintering of the surface layer of the formation, which leads to a decrease in the reservoir properties of the formation of a mud screen. Fracture products overlap perforations, which is also a negative factor. Designs of known gas generators also have a number of disadvantages.

Корпусные, у которых топливо находится в металлическом корпусе с отверстиями для выхода газа, могут изменять поперечные размеры за счет нагрева корпуса и высокого давления внутри него, что приводит к аварийным ситуациям. Кроме того, может происходить поджиг топлива выходящими газами через выше находящиеся отверстия, что отрицательно сказывается на динамике горения, то есть не обеспечивается торцевое горение. Case, in which the fuel is in a metal case with openings for gas outlet, can change the transverse dimensions due to the heating of the body and high pressure inside it, which leads to emergency situations. In addition, ignition of the fuel by the exhaust gases through the higher openings can occur, which negatively affects the combustion dynamics, that is, end combustion is not ensured.

Безкорпусные, у которых топливо находится в картонной гильзе, не обеспечивают направления струи газа, а иногда разрушаются от вибрации создаваемой в процессе горения образующимися газами. В них трудно создать условия для торцевого горения заряда, что также отрицательно сказывается на качестве обработки пласта. Shellless, in which the fuel is in a cardboard sleeve, do not provide the direction of the gas stream, and sometimes are destroyed by vibration created by the combustion gases. It is difficult to create conditions for the end combustion of the charge in them, which also negatively affects the quality of the formation treatment.

К общему недостатку известных термогазогенераторов можно отнести самопроизвольное перемещение по стволу скважины из-за несбалансированных потоков газа и создание реактивных составляющих. A common drawback of the known thermogas generators is the spontaneous movement along the wellbore due to unbalanced gas flows and the creation of reactive components.

Для увеличения эффекта гидроразрыва пласта при помощи пороховых газогенераторов в скважину закачивают различные химические реагенты, такие как ПАВ, кислоты, щелочи и т. д. [3, 4] Закачку производят по колонне НКТ, и реагент заполняет весь объем скважины. При использовании кислот и щелочей интенсивному разрушению подвергаются обсадные трубы, колонна НКТ, вспомогательное оборудование. To increase the effect of hydraulic fracturing using powder gas generators, various chemicals, such as surfactants, acids, alkalis, etc. are pumped into the well [3, 4]. The injection is carried out through the tubing string and the reagent fills the entire volume of the well. When using acids and alkalis, casing pipes, tubing string, auxiliary equipment are subjected to intensive destruction.

При использовании гидрокислотного способа обработки требуется большое количество реагента, при этом невозможно создать высокую концентрацию кислоты и других активных реагентов. Процесс обработки занимает много времени, что увеличивает простой скважины. Большие сложности возникают при утилизации отработанного реагента. When using the hydro-acid processing method, a large amount of reagent is required, and it is not possible to create a high concentration of acid and other active reagents. The processing process takes a lot of time, which increases the downtime of the well. Great difficulties arise when disposing of the spent reagent.

Известно устройство для очистки призабойной скважины, которое состоит из герметичного корпуса имплозионной камеры с клапаном и механизма открытия клапана. Имплозионная камера заполнена атмосферным воздухом. Для повышения притока камеру устанавливают в непосредственной близости от перфорированной зоны пласта. После открытия клапана происходит быстрое заполнение камеры скважинной и пластовой жидкостью. При этом в зоне, примыкающей к прибору, возникает сначала резкое снижение гидростатического давления, а затем его повышение, возникающее от движения столба жидкости, и в дальнейшем наблюдается затухающий колебательный процесс. Возникающие при этом знакопеременные перепады давления осуществляют очистку поровых каналов в пласте. Данная технология намного дешевле и безопаснее методов, основанных на использовании силы взрыва, но длительность и эффективность процесса воздействия на пласт зависит от емкости камеры и скорости ее заполнения жидкостью. При большой плотности и низкой проницаемости пород продуктивного пласта, технология имплозионной обработки пласта может вообще не дать должного эффекта [5]
Использование имплозионного метода при помощи имплозионного устройства, спускаемого на каротажном кабеле, резко сокращает трудозатраты и время на обработку скважины, но имеет и недостатки связанные с ограниченными прочностными свойствами кабеля. Известные устройства производят забор флюида с нижнего конца имплозионной камеры, таким образом создавая реактивное усилие, направленное на растяжение кабеля. Указанный недостаток ограничивает возможности имплозионного метода в кабельном варианте, так как невозможно увеличить объем камеры больше допустимой прочности используемого кабеля. По той же причине ограничена и скорость заполнения камеры пластовой и скважинной жидкостью.A device for cleaning a bottom hole is known, which consists of a sealed enclosure of an implosion chamber with a valve and a valve opening mechanism. The implosion chamber is filled with atmospheric air. To increase the flow, the camera is installed in the immediate vicinity of the perforated zone of the formation. After opening the valve, the chamber is rapidly filled with borehole and formation fluid. Moreover, in the zone adjacent to the device, a sharp decrease in hydrostatic pressure occurs first, and then its increase arises from the movement of the liquid column, and then a damped oscillatory process is observed. The resulting alternating pressure drops clean the pore channels in the formation. This technology is much cheaper and safer than methods based on the use of explosion force, but the duration and effectiveness of the process of stimulating the formation depends on the capacity of the chamber and the speed of its filling with liquid. With a high density and low permeability of the rocks of the reservoir, the technology of implosive treatment of the reservoir may not give the desired effect [5]
The use of the implosion method with the help of an implosion device launched on a logging cable dramatically reduces labor costs and time for processing a well, but it also has drawbacks associated with the limited strength properties of the cable. Known devices take fluid from the lower end of the implosion chamber, thereby creating a reactive force directed to the extension of the cable. This drawback limits the possibilities of the implosion method in the cable version, since it is impossible to increase the chamber volume beyond the permissible strength of the cable used. For the same reason, the rate of filling the chamber with formation and well fluid is also limited.

За прототип может быть выбран способ и устройство для гидроразрыва горных пород, включающий заполнение продуктивной зоны пенообразующим раствором, создание высокого давления путем воздействия на стенки скважины продуктами сгорания с образованием в призабойной зоне пены высокого давления. For the prototype, a method and device for hydraulic fracturing of rocks can be selected, including filling the productive zone with a foaming solution, creating high pressure by exposing the walls of the well to combustion products with the formation of high pressure foam in the bottomhole zone.

Устройство для применения этого способа представляет собой термогазогенератор, состоящий из корпуса, в нижней части которого размещены пороховые заряды, а выше расположена камера догорания с сопловидными отверстиями и пакерным механизмом, который приводится в действие газами образовавшимися при сгорании пороховых зарядов замедленного действия. Устройство доставляется в обрабатываемый интервал на каротажном кабеле [6]
Недостатками этого способа является возможность перемещения устройства вверх по скважине под действием избыточного давления создаваемого газами в призабойной зоне, а также разрушения пакера и уплотнительных элементов в пакерном механизме под действием высокой температуры газа. Кроме того, использование НКТ для закачивания пенообразующих растворов в зону обработки приводит к простою скважины и дополнительным затратам на оплату этих услуг.A device for applying this method is a thermogas generator, consisting of a housing, in the lower part of which powder charges are placed, and above it is a combustion chamber with nozzle-shaped openings and a packer mechanism, which is driven by gases generated during the combustion of delayed-action powder charges. The device is delivered in the processing interval on the logging cable [6]
The disadvantages of this method is the ability to move the device up the well under the action of excess pressure created by gases in the bottomhole zone, as well as the destruction of the packer and sealing elements in the packer mechanism under the action of high gas temperature. In addition, the use of tubing to pump foaming solutions into the treatment zone leads to a downhole and additional costs for these services.

Предлагается устройство для гидроразрыва пласта (см. чертеж), которое состоит из двух имплозионных камер 1, размещенных одна над другой и соединенных между собой соединительной муфтой 2 с радиальными сквозными щелями 3 и изолированных от окружающей среды двумя управляемыми клапанами 4. К нижнему концу имплозионной камеры присоединен термогазогенератор 5, в верхнюю часть которого помещают заряд из горючего материала, а снизу прикреплена камера догорания 6, с сопловидными отверстиями 7, число и площадь которых определяет скорость сгорания топлива, а форма направление газовой струи, снизу к камере догорания прикреплен баллон с химическим реагентом 8, причем химический реагент испаряется в процессе сгорания топлива, а состав и количество реагента подбирают в зависимости от вещественного состава и типа обрабатываемого пласта коллектора. В качестве химического реагента могут быть выбраны кислоты, например соляная, серная, азотная, пенообразующие растворы, поверхностно-активные вещества, твердосплавные наполнители. Выше верхней имплозионной камеры устанавливают датчики давления и температуры 10 для измерения давления и температуры флюида как внутри, так и снаружи верхней имплозионной камеры, а результаты измерения обрабатываются и кодируются для передачи информации по каротажному кабелю 13 на поверхность электронным блоком 11, с помощью центраторов 9 устройство располагают строго по оси скважины для обеспечения равномерного воздействия на пласт. Сверху верхней имплозионной камеры размещен стравливающий клапан 12 для стравливания избыточного давления. A device for hydraulic fracturing is proposed (see drawing), which consists of two implosion chambers 1, placed one above the other and connected by a coupling 2 with radial through slots 3 and isolated from the environment by two controlled valves 4. To the lower end of the implosion chamber a thermogas generator 5 is attached, in the upper part of which a charge of combustible material is placed, and a combustion chamber 6 is attached at the bottom, with nozzle-shaped openings 7, the number and area of which determines the combustion rate then fuel, and the shape is the direction of the gas stream, a chemical reagent 8 is attached to the bottom of the combustion chamber, the chemical reagent evaporating during the combustion of the fuel, and the composition and amount of the reagent is selected depending on the material composition and type of the reservoir being treated. Acids, for example, hydrochloric, sulfuric, nitric, foaming solutions, surfactants, carbide fillers, can be selected as a chemical reagent. Above the upper implosion chamber, pressure and temperature sensors 10 are installed to measure the pressure and temperature of the fluid both inside and outside the upper implosion chamber, and the measurement results are processed and encoded to transmit information through the wireline 13 to the surface by the electronic unit 11, using centralizers 9 positioned strictly along the axis of the well to ensure uniform impact on the reservoir. On top of the upper implosion chamber, a bleed valve 12 is placed to relieve excess pressure.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Устройство на каротажном кабеле 13 опускают в скважину и устанавливают термогазогенератор 5 против интервала пласта, подвергаемого обработке. По команде оператора, переданной по каротажному кабелю 13, запускают термогазогенератор 5, при горении топлива выделяется газ, который заполняет камеру догорания 6 и, после достижения давления превышающего гидростатическое, начинает истекать в скважину через сопловидные отверстия 7 в радиальном направлении. Температура газа, заполняющего камеру догорания 6, позволяет активно испарять химический реагент, который находится в баллоне 8, причем интенсивность газообразования определяется скоростью горения топлива, которая в свою очередь зависит от давления газа в камере догорания 6, то есть суммарную площадь сопловидных отверстий 7 выбирают таким образом, чтобы давление газа в скважине превышало давление гидроразрыва пласта. Образовавшийся в скважине газовый пузырь проникает через перфорационные отверстия обсадной колонны и оказывает термохимическое воздействие на обрабатываемый пласт и, когда давление в газовом пузыре достигает давления гидроразрыва пласта, в пласте образуются трещины, поверхность которых также подвергается термохимическому воздействию, что позволяет получить трещины достаточной раскрытости и протяженности. Режим работы термогазогенератора 5 контролируют измерением давления и температуры датчиками 10, показания которых с помощью электронного блока 11 по каротажному кабелю 13 передают на поверхность и по полученным показаниям определяют время работы термогазогенератора 5. После окончания работы термогазогенератора 5 устройство опускают и устанавливают соединительную муфту 2 против интервала пласта, подвергаемого обработке, и по сигналу с поверхности открывают управляемые клапана 4, после чего пластовый флюид с расплавленными и растворенными асфальтенами и обломками породы через радиальные сквозные щели 3 затягивается в имплозионные камеры 1. Оставшийся в камере воздух стравливают через стравливающий клапан 1". The device on the wireline 13 is lowered into the well and the thermogas generator 5 is installed against the interval of the formation being treated. At the operator’s command, transmitted through the logging cable 13, the thermogas generator 5 is started, when the fuel is burned, gas is released that fills the afterburner 6 and, after reaching a pressure exceeding the hydrostatic one, starts to flow into the well through the nozzle-shaped openings 7 in the radial direction. The temperature of the gas filling the afterburning chamber 6 allows the chemical reagent, which is located in the cylinder 8, to be actively evaporated, the gas generation rate being determined by the burning rate of the fuel, which in turn depends on the gas pressure in the afterburning chamber 6, i.e., the total area of the nozzle openings 7 is chosen as so that the gas pressure in the well exceeds the hydraulic fracturing pressure. A gas bubble formed in the well penetrates through the perforation holes of the casing and exerts a thermochemical effect on the formation being treated, and when the pressure in the gas bubble reaches the hydraulic fracturing pressure, cracks form in the formation, the surface of which also undergoes thermochemical treatment, which makes it possible to obtain cracks of sufficient openness and length . The operating mode of the thermogas generator 5 is controlled by measuring pressure and temperature with sensors 10, the readings of which are transmitted to the surface by means of the electronic unit 11 via the wireline 13 and, based on the readings, determine the operating time of the thermogas generator 5. After the operation of the thermogas generator 5 is completed, the device is lowered and the coupling 2 is installed against the interval controlled formation 4 and then the formation fluid with melted and dissolved asphaltenes and debris through the radial through-slit 3 is drawn into the chamber 1. implosion remain in the air chamber is vented through bleed valve 1 ".

В результате большого перепада давления между атмосферным в имплозионных камерах и давлением в пласте получается как бы резкий "хлопок", который способствует очищению пласта и перфорационных отверстий от продуктов термохимического воздействия, а вслед за этим действует гидродинамический удар всего столба жидкости на стенки скважины, в результате чего в пласте образуются новые и раскрываются ранее образованные трещины. В дальнейшем наблюдается затухающий колебательный процесс, и возникающие при этом знакопеременные перепады давления осуществляют дополнительную прочистку поровых каналов в пласте. Процесс, происходящий в имплозионных камерах и в скважине, фиксируют датчиками давления и температуры 10, по данным которых определяют эффективность воздействия и, в случае необходимости обработку пласта повторяют. As a result of the large pressure drop between the atmospheric pressure in the implosion chambers and the pressure in the formation, a sharp “cotton” is produced, which helps to clean the formation and perforation holes of the products of thermochemical effects, and after this the hydrodynamic shock of the entire liquid column on the well walls acts, as a result which, in the reservoir, new ones form and previously formed cracks open. In the future, a damped oscillatory process is observed, and the resulting alternating pressure drops provide additional cleaning of the pore channels in the reservoir. The process taking place in the implosion chambers and in the well is fixed by pressure and temperature sensors 10, according to which the effectiveness of the impact is determined and, if necessary, the formation treatment is repeated.

Предлагаемое устройство состоит из отдельных частей, сборку которых обеспечивают унифицированные соединительные узлы. Поэтому в случае необходимости можно использовать различные варианты этих частей. Так в тех случаях, когда обрабатываемый пласт расположен близко к забою скважины, нижнюю имплозионную камеру можно не использовать. При необходимости дополнительной очистки пласта можно убрать термогазогенератор 5. В случае очистки призабойной зоны и забоя скважины можно убрать нижнюю имплозионную камеру 1 и термогазогенератор 5. The proposed device consists of individual parts, the assembly of which is provided by unified connecting nodes. Therefore, if necessary, you can use various options for these parts. So in those cases when the treated formation is located close to the bottom of the well, the lower implosion chamber can not be used. If it is necessary to further clean the formation, you can remove the thermogas generator 5. In the case of cleaning the bottom-hole zone and borehole bottom, you can remove the lower implosion chamber 1 and the thermogas generator 5.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет одновременно воздействовать на пласта и призабойную зону комбинацией нескольких методов воздействия, а именно, теплового, газового, химического и физического, что значительно повышает эффективность воздействия и расширяет круг решаемых задач. К достоинствам предлагаемого устройства относится то, что оно равномерно воздействует на пласт за счет плавного нарастания давления в интервале обрабатываемого пласта, позволяет создавать в пласте горизонтальные трещины, дает возможность локального и мощного депрессионного удара по пласту, исключает смещение устройства по стволу скважины, обеспечивает высокую химическую агрессивность газа по отношению к пласту, позволяет производить экспресс-анализ эффективности воздействия и оптимизировать работы на скважине, а также обеспечить экологическую безопасность при использовании химических реагентов. Обработка одной скважины глубиной до 2000 м производится партией геофизиков из четырех человек за 2-3 ч, а эффективность по данным обработки 50 скважин на объектах АО "Татнефть" составляет 75% Thus, the proposed device allows you to simultaneously affect the reservoir and the bottomhole zone by a combination of several methods of exposure, namely, thermal, gas, chemical and physical, which significantly increases the impact and expands the range of tasks. The advantages of the proposed device include the fact that it evenly affects the formation due to a smooth increase in pressure in the interval of the treated formation, allows you to create horizontal cracks in the formation, enables local and powerful depressive impact on the formation, eliminates the device’s displacement along the wellbore, provides a high chemical the aggressiveness of the gas in relation to the reservoir, allows for rapid analysis of the effectiveness of the impact and optimize the work on the well, as well as ensure logical safety when using chemical reagents. Processing of one well with a depth of up to 2000 m is carried out by a batch of geophysicists of four people in 2-3 hours, and the efficiency according to the processing of 50 wells at the facilities of Tatneft JSC is 75%

Claims (1)

Устройство для разрыва пласта, включающее термогазогенератор с зарядом из горючего материала и камерой догорания с сопловидными отверстиями, отличающееся тем, что оно снабжено двумя имплозионными воздушными камерами с управляемыми клапанами для изоляции имплозионных камер от окружающей среды и клапаном для стравливания воздуха, соединительной муфтой со сквозными щелями, размещенной между имплозионными камерами и обеспечивающей возможность сообщения через нее и управляемые клапаны окружающей среды с имплозионными камерами в рабочем положении устройства, датчиками для измерения давления и температуры, расположенными внутри и снаружи имплозионных камер, и баллоном с кислотой или наполнителем. A device for fracturing, including a thermogas generator with a charge of combustible material and a combustion chamber with nozzle-shaped openings, characterized in that it is equipped with two implosion air chambers with controlled valves for isolating the implosion chambers from the environment and a valve for bleeding air, a connecting sleeve with through slots located between implosion chambers and providing the possibility of communication through it and controlled environmental valves with implosion chambers in working m position of the device, sensors for measuring pressure and temperature, located inside and outside the implosion chambers, and a cylinder with acid or filler.