Актуальность проблемы

Реальные эффекты от действия ультразвука

Возможные эффекты от действия ультразвука

Научная новизна и уровень разработки

Способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления

Способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления. Вариант 1

Действие сверхмощного ультразвука. Новая технология

Сравнение технологий обработки ультразвуком

Способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления. Вариант 2

Проблемы и пути решения

Эффект комбинированного теплового и ультразвукового воздействия

Эффект ультразвуковой дегазации

Сравнение энергоемкости различных МУН

Техническая эффективность

Экономическая эффективность

Просмотреть описание изобретения к патенту 2 312 980 "Способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления"

Актуальность проблемы

Планируется рост добычи до 510-540 млн. тонн к 2015 г. За снижение коэффициента извлечения нефти будут наказывать рублем. Об этом заявил министр природных ресурсов РФ Юрий Трутнев.

Крупные месторождения стареют. КИН снижается. Качество запасов ухудшается. Рост добычи можно обеспечить только за счет принципиально новых технологий повышения нефтеотдачи.

Реальные эффекты от действия ультразвука

Ультразвук режет и нагревает материалы

 

Акустическая кавитация снижает вязкость жидкостей, разжижает смолы и полимеры

 

Ультразвуковое воздействие разрушает горные породы и хрупкие материалы

Возможные эффекты от действия ультразвука

Научная новизна и уровень разработки

Впервые в ультразвуке

     

Источники и средства передачи ультразвука мощностью 100 квт и выше – в мире никто не разрабатывал.

Впервые в нефтедобыче

В технологиях нефтедобычи источники ультразвука мощностью более 15 квт не использовались. Ультразвук по элементам скважины не передавался. Ультразвуковой нагрев в нефтедобыче не применялся.

Способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления

Способ заключается в одновременном мощном ультразвуковом и тепловом воздействии на призабойную зону пласта осуществляемом с наземной части скважины.

Уникальность технологии заключается в том, что это единственно возможный способ осуществления длительного сверхмощного термоультразвукового воздействия на коллектор и нефть в скважине без остановки добычи.

Изобретение может быть использовано для:

• повышения дебита малопродуктивных скважин;
• добычи высоковязкой нефти;
• разработки газогидратных месторождений;
• добычи растворенного газа из подземных вод.

Преимущества новой технологии:

1. Мощное воздействие без остановки добычи.
2. Постоянное повышение пропускной способности коллектора.
3. Многократное снижение вязкости нефти.
4. Эффективное разгазирование нефти.
5. Постоянная очистка скважины и трубопроводов от отложений.
6. Простота установки и эксплуатации.

Способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления

Вариант 1

На рисунке изображена установка для повышения нефтеотдачи скважин, где показаны следующие элементы:

1. пласт пористого нефтяного коллектора, нефтесодержащая порода;
2. призабойная зона;
3. мощное ультразвуковое излучение;
4. надземная часть скважины (устье), надземная часть обсадной трубы;
5. обсадные трубы - стальной трубчатый волновод;
6. скважина;
7. приемная часть скважины (исток);
8. перфорация обсадной трубы;
9. торцевая часть скважины;
10. волновод преобразователя;
11. концентраторы в виде кольцевых выступов или вырезов;
12. генератор электрических колебаний или генератор ультразвуковой частоты, работающий в диапазоне 0,5*10⁴-1*10⁵ Гц;
13. электромеханический преобразователь;
14. магнитострикционный сердечник;
15. внешняя электрическая обмотка;
16. набор концентрически вставленных друг в друга тонкостенных труб или многослойна труба, образованна намоткой сплошного тонкого листа на трубу меньшего диаметра;
17. сплошная тонкостенна труба;
18. верхний фланец преобразователя;
19. нижний фланец преобразователя;
20. осевое отверстие дл прохода нефтесодержащей жидкости из скважины;
21. фланец обсадной трубы скважины;
22. сальник штока глубинного насоса-качалки;
23. шток глубинного насоса-качалки;
24. труба дл отвода нефтесодержащей жидкости из скважины;
25. трубы лифтовой (насосно-компрессорной) колонны;
26. нефтесодержащая жидкость;
27. зона нагрева и излучения ультразвука.

Мощное ультразвуковое излучение с наземной части скважины 4 направляется по обсадным трубам 5 скважины 6 как по волноводу к приемной части скважины 7, где оно рассеивается перфорацией обсадной трубы 8 и торцевой частью скважины 9, частично превращаясь в тепло, а частично излучаясь в призабойную зону 2.

Удельная мощность ультразвука, подаваемого в обсадную трубу 8 как в волновод, выбирается в пределах от 0,1 до 10 квт/см.

Устройство для осуществления способа состоит из генератора электрических колебаний 12 и магнитострикционного преобразователя 13, который конструктивно выполнен в виде насадки на обсадной трубе в наземной части скважины.

В нефтедобыче ультразвук относительно малой удельной частоты используется для повышения нефтеотдачи скважин. Часто сочетают использование ультразвука с нагревом, причем генерирование ультразвука и тепла осуществляется разными устройствами, как правило, спускаемыми в скважину.

Известно, что ультразвук можно эффективно преобразовать в тепло. Более того, как любое излучение, ультразвук практически без потерь распространяется в металлических волноводах. Скорость его распространения в стали составляет около 5000 м/с. В сверхдлинных волноводах длиной 2-3 тыс. метров (примерна длина скважин) за счет незначительной диссипации ультразвука в металле возникает эффект естественного преобразования энергии ультразвука в тепло. Тепловыделение составляет до 5% мощности в теле волновода и до 10-15% мощности в зоне резьбовых соединений, а также в зоне наличия концентраторов. Роль концентраторов могут выполнять любые утолщения или отверстия, имеющиеся в волноводе. Поэтому можно использовать обсадную трубу скважины как длинный трубчатый волновод, чтобы эффективно подавать по ней как по волноводу ультразвуковую энергию с дневной поверхности к пористому коллектору нефтяного пласта. Однако величина подаваемой ультразвуковой энергии должна быть достаточной, чтобы обеспечить нагрев самой скважины, призабойной зоны и потока извлекаемой нефти. Оставшаяся часть энергии ультразвука должна излучаться в пористый коллектор нефтяного пласта и обеспечивать эффективное воздействие на него. Эта величина зависит от длины трубы и ее сечения. Величина удельного потока энергии должна быть не менее 0,1 кВт/см². Эффективное значение плотности энергии, передаваемой в скважину, составляет от 1,0 кВт/см² до 5 кВт/см². Более высокие значения плотности энергии пока труднодостижимы, но будут, по-видимому, очень целесообразны при добыче высоковязких нефтей из реабилитируемых скважин в будущем.

Принципиальная конструкция скв. 2 Восточно-Черноерковская

Действие сверхмощного ультразвука

Новая технология

Сравнение технологий обработки ультразвуком

Способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления

Вариант 2

Заявленный способ повышения нефтеотдачи и устройство для его осуществления функционируют следующим образом.

С помощью генератора электрических колебаний 12 возбуждают электромеханический преобразователь 13, который генерирует мощное ультразвуковое излучение 3. Это излучение с наземной части скважины 4 с помощью волновода преобразователя 10 направляют по обсадным трубам 5 скважины 6 как по стальному трубчатому волноводу к приемной части скважины 7, где оно рассеивается перфорацией обсадной трубы 8 и торцевой частью скважины 9, частично превращаясь в тепло, а частично излучаясь в призабойную зону 2 скважины 6 в зонах нагрева и излучения ультразвука 27.

Основной частью электромеханического преобразователя 13 является магнитострикционный сердечник преобразователя 14, вокруг которого расположена внешняя электрическая обмотка 15.

Магнитострикционный сердечник 14 электромеханического преобразователя 13 выполнен как набор концентрически вставленных друг в друга тонкостенных труб 16 или как многослойна труба, образованна намоткой сплошного тонкого листа на сплошную тонкостенную трубу 17 меньшего диаметра. В качестве материалов для изготовления магнитострикционного сердечника 14 используется пермендюр, никель или иной магнитострикционный материал. Торцы магнитострикционного сердечника припаяны или приварены своей торцевой частью к фланцам преобразователя 18 и 19 и/или к волноводу, причем нижний фланец 19 преобразователя 13 выполнен за одно целое или соединен с волноводом конической, ступенчатой или экспоненциальной внешней формы с осевым отверстием 20 для прохода нефтесодержащей жидкости 26 из скважины и, в свою очередь, соединен с фланцем 21 обсадной трубы скважины.

В процессе работы обмотка 15 преобразователя 14 сильно нагревается . Его охлаждение осуществляется потоком нефтесодержащей жидкости 26, которая проходит через осевое отверстие 20 в трубчатом магнитострикционном сердечнике 14. Это позволяет дополнительно обогревать нефтесодержащую жидкость 26.

для повышения мощности несколько преобразователей 14 могут быть соединены с обсадной трубой 5 последовательно (цугом, друг за другом) или/и параллельно, располагаясь вокруг обсадной трубы 5, а также путем комбинирования последовательного и параллельного способов расположения.

На чертеже также показаны сальник штока глубинного насоса-качалки 22, шток глубинного насоса-качалки 23, а также труба для отвода нефтесодержащей жидкости из скважины 24 и трубы лифтовой (насосно-компрессорной) колонны 25, по которым подогрета нефтесодержащая жидкость 26 поступает на поверхность.

Удельная мощность ультразвука, подаваемого в обсадную трубу как в волновод, выбирается в пределах от 0,1 до 10 кВт на квадратный сантиметр площади сечения обсадной трубы, а частота колебаний преобразователя 0,5*10⁴-10⁵ Гц.

Дополнительное повышение интенсивности нагрева и излучения ультразвука в пласт в любой части обсадной трубы может быть осуществлено путем использования концентраторов 11 различной формы, в том числе и в виде кольцевых выступов или вырезов, расположенных на внешней поверхности обсадной трубы 5.

В соответствии с заявляемым способом комбинированное термоультразвуковое воздействие осуществляется в процессе добычи нефти из скважины без ее остановки. Как правило, воздействие осуществляют в процессе эксплуатации скважины постоянно. Однако при необходимости воздействие может осуществляться периодически.

Проблемы и пути решения

Проблемы

1. Нужно найти способы защиты цементного камня за обсадными трубами.
2. Нужно исключить возможность раскрепления резьбовых муфт обсадной колонны под действием ультразвука.

Пути решения

1. Подача ультразвука по специальным волноводам, НКТ, другим элементам скважины.
2. Покрытие обсадных труб звукоизолирующим и теплоизолирующим материалом.
3. Замена резьбовых муфт сварными соединениями.

Эффект комбинированного теплового и ультразвукового воздействия

Комбинированное тепловое и ультразвуковое воздействия в зоне перфорации способствует:

• снижению вязкости нефти и поверхностного натяжения на границах раздела фаз нефти с водой или нефти с породой;
• повышению скорости фильтрации жидкой фазы относительно пористого коллектора нефтяного пласта, снижению перепада давления, необходимого для фильтрации жидкостей внутри пористого коллектора нефтяного пласта;
• снижению гидравлического сопротивления движению жидкости или газа по пласту;
• диспергированию крупных битумизированных частиц в пласте, закупоривающих поры нефтяного пласта и вымыванию их из призабойной зоны скважины;
• постепенному диспергированию пород пористого нефтяного коллектора, повышая его пропускную способность;
• отмыванию от парафина, сернистых и других осадков внутренней поверхности скважины и трубопроводов и препятствует их отложению.

Эффект ультразвуковой дегазации

Вследствие пониженного давления в зонах пучностей волн зародыши газовых пузырьков перемещаются от узлов волны (стенок трубы) к центру, что приводит к локальной концентрации и росту пузырьков.

Распределение стоячих волн вдоль потока вызывает коалесценцию пузырьков в каждой зоне стоячей волны.

Процессы, происходящие в стоячих волнах ультразвукового поля, увеличивают концентрацию газовых глобул газожидкостной смеси, что приводит к ее раннему разгазированию. При этом проявляется эффект газлифтного подъемника.

(По данным диссертации Музипова Х.М, ЗАО «ТННЦ»)

Схема изменения структуры газожидкостной смеси в стоячей волне

«…Рациональнее было бы найти простой и дешевый способ добычи газа, растворенного в подземных водах. Где ни копни Западную Сибирь - повсюду гигантские реки и океаны такого "шампанского". В общей сложности запасы растворенного газа составляют более 700 триллионов кубометров! Комментарии излишни»

(Доктор геолого-минералогических наук, академик И.И. Нестеров)

Эффект ультразвуковой дегазации открывает новые перспективы в области разгазирования нефти, добычи растворенного газа из подземных вод и разработки газогидратных месторождений.

Сравнение энергоемкости различных МУН

Мощность преобразователей для обсадных труб различного диаметра

Оценка удельных затрат на 1 кубический метр нефти

Стоимость увеличения добычи на каждую тонну нефти

Источник: "Концепция государственного управления рациональным использованием запасов недр"

В скважинах стандартной конструкции роль концентраторов, на которых выделяется тепло, будут выполнять, прежде всего, отверстия зоны перфорации скважины, торцевая часть скважины и резьбовые межтрубные соединения. Перфорационные отверстия в обсадной трубе резко снижают сечение трубчатого волновода. Протяженная перфорация в виде набора отверстий является большим сопротивлением для распространения ультразвука в волноводе, поэтому основное тепловыделение и передача ультразвука в окружающую среду будут происходить в зоне перфорации обсадной трубы. Если в обсадной трубе имеются сварные соединения в виде неровно или не полностью заваренных кольцевых швов, то такие соединения тоже будут являться источниками тепла. Повысить интенсивность воздействия можно в любой зоне скважины. Для этого достаточно создать на поверхности обсадной трубы концентраторы в виде кольцевых выступов, а также выступов или вырезов иной формы. Однако даже в сверхдлинных волноводах весь ультразвук не поглощается. Оставшаяся часть колебательной энергии излучается в призабойную зону через торцевую часть, концентраторы, перфорационные отверстия. Эта часть ультразвука воздействует на породу пористого нефтяного коллектора и способствует:

- снижению вязкости нефтей и поверхностного натяжения на границах раздела фаз нефти с водой или нефти с породой;

- повышению скорости фильтрации жидкой фазы относительно пористого коллектора нефтяного пласта;

- снижению перепада давления, необходимого для фильтрации жидкостей внутри пористого коллектора нефтяного пласта;

- снижению гидравлического сопротивления движению жидкости или газа по пласту;

- диспергированию крупных битумизированных частиц в пласте, закупоривающих поры нефтяного пласта, и вымыванию их из призабойной зоны скважины;

- постепенному диспергированию породы пористого нефтяного коллектора, повышая его пропускную способность;

- отмыванию от парафина, сернистых и других осадков внутренней поверхности скважины и трубопроводов и препятствует их отложению.

Техническая эффективность

1. Предлагаемые изобретения позволяют осуществить высокоэффективное сверхмощное комбинированное термоультразвуковое воздействие на породу нефтяного коллектора, концентрируя ультразвуковую энергию преимущественно в зоне перфорации обсадной колоны.

2. Воздействие на нефтеносный пласт осуществляется длительно и непрерывно без остановки добычи и без демонтажа скважины.

3. Одновременно решаются задачи эффективного воздействия на пласт, максимального повышения нефтеотдачи, снижения вязкости нефти, уменьшения скорости образования парафиновых и асфальтеновых отложений в скважине и трубопроводах.

4. Имеется неоспоримое преимущество перед гидроразрывом, заключающееся в том, что если гидроразрыв надо регулярно повторять, то предлагаемое устройство воздействует на нефтяной пласт в течение всего времени эксплуатации, длительно и непрерывно, постоянно улучшая параметры скважины за счет диспергирования и вымывания крупных битумизированных частиц, закупоривающих поры пласта, а также за счет постепенного и постоянного диспергирования самой породы пласта, повышая его пропускную способность.

Экономическая эффективность

Экономический эффект – более 1 триллиона долларов

«… Потеря одной сотой КИНа приведет к потере национального богатства в объеме 22 триллионов рублей, а 5% КИНа приведет к потере национального богатства в объеме 1 биллиона рублей или 35 триллионов долларов»

(Прозоров С.В., директор Департамента ТЭК и недропользования Администрации Тюменской области. Из выступления на Третьем Энергетическом форуме РФ)

Емкость мирового рынка - от 500 тыс. до 1.2 млн. зуммеров

Россия

Эксплуатационный фонд скважин – 155671

Средний дебит скважин – 10 т/сут

Фонд добывающих скважин – 118868

Неработающий фонд скважин – 36803

США

Эксплуатационный фонд скважин – 650000

Средний дебит скважин – 1,5 т/сут

(По данным ВНИИНефть)

В мире от 1,2 до 2,7 млн. нефтяных скважин. Больше половины из них малодебитные и могли бы быть оборудованы ультразвуковыми зуммерами.