Способ интенсификации добычи природного газа из угольных пластов - RU2343275C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу интенсификации добычи природного газа из угольных пластов.

Мировые запасы природного газа, связанного с угольными месторождениями, занимают объем, составляющий 8000 триллионов кубических футов. Этот газ адсорбируется на поверхности угля и выделяется при снижении давления. Выделяющийся газ может проходить к эксплуатационным скважинам через сеть трещин угольного пласта. Из-за низкой эффективной проницаемости угольных пластов используются различные способы интенсификации добычи природного газа. Кроме того, некоторые угольные пласты увлажнены, и требуется их осушение для снижения давления в порах, чтобы начался процесс выделения газа. Воду значительно труднее удалить, чем газ, из-за того что ее вязкость более чем на два порядка превышает вязкость газа, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления в низкопроницаемой пористой сети трещин угольного пласта. Более того воду необходимо откачивать из скважины при помощи каких-либо механических устройств. Вода также снижает эффективную проницаемость сети трещин угольного пласта, создавая препятствия на входах в сужающиеся участки проводящих трещин, занимая большую часть пространства пор.

Наиболее распространенные существующие способы извлечения метана включают создание полостей в угольном пласте (кавернообразование), гидравлический разрыв пласта и наклонно направленное бурение, осуществляемое параллельно пласту.

Создание полостей в угольном пласте снижает негативные последствия бурения, выражающиеся в закупорке пор призабойной зоны, а также увеличивает площадь, с которой может извлекаться метан. Обычно создание полости выполняется путем циклических нагрузок давления в скважинах со стволом, необсаженным в районе продуктивного интервала. Такая обработка обычно называется циклическим созданием полостей.

Обычный способ гидравлического разрыва применяется в обсаженных скважинах с перфорацией главным образом в тех случаях, когда проницаемость угля менее 20 миллидарси. Разновидностью этого способа является гидравлическое бурение, которое включает бурение исходной обсаженной скважины и дополнительной скважины на некотором расстоянии от исходной скважины для сбора обломков угольного материала и отвода воды из пласта.

Наклонно направленное бурение заключается в наклоне бурильной колонны таким образом, чтобы бурение происходило не в вертикальном направлении, а параллельно угольному пласту.

Как только соответствующая скважина закончена при помощи одного из указанных способов, производится ее осушение для снижения давления в пласте. Падение давления в пласте способствует выделению метана из толщи угля в трещины, ориентированные вдоль слоев. Если эти трещины обладают достаточно высокой проницаемостью, то есть взаимосвязанностью, метан может перетекать от угольного пласта в скважину и будет доступен для извлечения.

При циклическом создании полости, наиболее часто используемом способе для получения метана, используются различные следующие механизмы для связи ствола скважины с сетью трещин угольного пласта: создание физической полости в угольном пласте на необсаженном участке (до 10 футов в диаметре); создание саморазвивающейся вертикальной трещины, которая распространяется на расстояние до 200 футов от ствола скважины параллельно направлению минимального напряжения; создание зоны разрушения за счет скалывающих напряжений, что повышает проницаемость в направлении, перпендикулярном направлению минимальных напряжений, как описано, например, в книге Пальмера И.Д., Ламберта С.В. и Спитлера Лж.Л. «Заканчивание и интенсификация скважин метановых угольных пластов. Глава 14 в лекциях по геологии 38, стр.303-341, 1993 и статье Ходавсрян М. и МакЛеннан «Формирование полостей: исследование механизмов и применения. Доклады Международного симпозиума по добыче метана из угольных пластов 1993 (Университет Алабамы/Тускалуза), 1993, стр.89-97.

Создание полостей производится путем повышения давления в скважине при помощи сжатого воздуха или пены, после чего давление резко сбрасывается. Возникающие в пласте напряжения приводят к растрескиванию угольной породы, а резкий отток жидкости - к выносу осколков угля в скважину. Эти циклы повышения и сброса давления повторяются многократно в течение нескольких часов или дней, и периодическое разрушение угольного пласта скалывающими напряжениями распространяется в боковом направлении от ствола скважины, как описано, например, в статье Кахаила А. и Массци Д. «Метод формирования полостей путем нагрузки-разгрузки для интенсификации выделения метана из скважин». Выпуск SPE 12843. Доклады симпозиума SPE по нестандартным методам добычи газа, 1984.

Обычный способ гидравлического разрыва описан во многих публикациях, в том числе применительно к угольным пластам, например в статье Холдича С.А. 1990 г. «Методы заканчивания в месторождения каменного угля». SPE 20670 /Доклады 65-й Ежегодной технической конференции SPE (Новый Орлеан), стр.533.

Наклонно направленное бурение не может рассматриваться как способ только для интенсификации добычи природного газа. Следует отметить, что как разрушение (обычный гидроразрыв или создание полостей), так и наклонно направленное бурение просто увеличивают суммарную площадь контакта с угольным пластом, но не обеспечивают увеличение исходной пористости угля.

Известен инструмент для формирования полости в пласте, который производит механическое режущее действие при помощи сопел для создания полости в пласте и ее очистки, раскрытый в патенте США 6609668, 26.08.2003 г. Этот инструмент содержит множество сопел для выпуска струй, несущих воздух, воду и/или пенный буровой раствор, и нагнетаемых через каждое сопло при вращении инструмента. Инструмент предназначен для очистки и промывки старых угольных скважин, выведенных из эксплуатации.

К преимуществам данного инструмента относится одновременность операций промывки скважины и увеличения ее диаметра, выполняемые за один спуск инструмента. Однако этим инструментом не создаются импульсы давления.

Следующие документы раскрывают способы, которые используют воздействие импульсами давления на нефтеносные пласты для повышения добычи нефти. Однако ни в одном из документов не ставилась цель повышения добычи метана из угольных пластов.

Принцип одновременного нагнетания и вибрации раскрыт в патенте США 4164978 (1978), патенте России 16074 (1962), в книге «Научные исследования», М., МГИ, 1975, стр.61: «Применение вибрации в нефтедобыче», М.: Недра, 1977, в Европейском патенте 0512331 (1992), патенте США 41644978 (1978), патентах России 1165801 (1985), 2084705 (1993), 2085721 (1997), 2100571 (1992), 2085721 (1994), 2175718 (1997), 2193649 (2002).

Одновременное нагнетание и вибрация со специально выбираемой частотой (расчетные резонансные частоты) раскрыты в патентах США 4702315 (1987), 3863717 (1975), 3744017 (1973), патентах России 1143150 (1994), 2231631 (2002). Одновременные нагнетание и вибрация, импульсный режим нагнетания раскрыты в патенте США 4456068 (1984), патентах России 2221141 (2004), 2176728 (2000), 2200832 (2001).

Одновременные нагнетание и вибрация, вибрация со специальной частотой, сжигание смесей из твердого/жидкого топлива и окислителя раскрыты в патентах США 3520362 (1970), 3768520 (1973), патентах России 2128770 (1994), 2191896 (2002), 2003111855 (2004), 1434831 (1999), 1639127 (1987), 2087756 (1994).

Нагнетание и вибрация в ходе понижения давления, цикличный режим нагнетания, вибрации со специальной частотой раскрыты в патенте США 3520362 (1970), патентах России 2128770 (1994), 219896 (2002), 2003111855 (2004), 1434831 (1999), 1639127 (1987), 2087756 (1994), 2066746 (1996), 94023110 (1994).

Одновременные нагнетание и вибрация, импульсный режим нагнетания, вибрации со специальной частотой, впрыск химических агентов, расклинивающих наполнителей раскрыты в патентах США 5197543 (1993), 5662165 (1997), патентах России 2193649 (2002), 2186953 (2000), 2243364 (2002), 2003111855 (2004), 2066746 (1996), 94023110 (1994).

Одновременные нагнетание и вибрация, вибрации со специальными частотами, впрыск химических агентов раскрыты в патентах США 5718289 (1998), патентах России 2175058 (1999), 2186953 (2000), 2111348 (1994), 2078200 (1994).

Нагнетание, вибрация, впрыск пенистых агентов, одновременно вибрации со специальными частотами, впрыск пенистых агентов раскрыты в патентах США 6467542 (2000), 6015010 (2000), 6405797 (2000), 6241019 (2000).

Целью настоящего изобретения является увеличение эффективности способа интенсификации добычи природного газа из угольных пластов с использованием воздействия на пласт импульсами давления.

Указанная цель достигается тем, что способ интенсификации добычи природного газа из угольных пластов включает создание полости в угольном пласте посредством циклического увеличения и снижения давления жидкости в скважине и воздействие на пласт низкочастотными импульсами давления высокой амплитуды при увеличении давления в скважине.

При проведении способа можно дополнительно осуществлять очистку скважины с использованием эффективной чистящей пенистой среды.

Для создания импульсов давления можно использовать генератор с жидкостным приводом, и чистящую пенистую среду нагнетать в скважину через этот генератор.

В другом варианте способа для создания импульсов давления можно использовать генератор, расположенный в соседней скважине, и осуществлять одновременное воздействие на пласт импульсами давления и нагнетание пенистой чистящей среды в обрабатываемую скважину.

При обработке только импульсами давления приложение низкочастотных импульсов давления высокой амплитуды к угольному пласту приводит к разрушению пласта и образованию трещин в результате воздействия на него растягивающих и сдвигающих напряжений. Эти трещины могут образовываться преимущественно вдоль сети трещин угольного пласта или же вдоль новых плоскостей разрушения. Трещины имеют тенденцию занимать хаотичное положение из-за релаксации анизотропных напряжений, которые существовали до этого в угольных пластах. Кроме того, может происходить выкрашивание, скалывание или сдвиг материала пласта, что препятствует полному закрытию указанных трещин. Во всех случаях проницаемость породы увеличивается, что увеличивает выделение газа и скорость осушения пластов угля, если присутствует вода.

Обработка импульсами давления может использоваться для усиления процесса образования полостей, который ограничен напряжениями в угольном пласте и возможностью создания глубоких разрывов вокруг скважины в результате действия на пласт растягивающих и сдвигающих напряжений во время каждого цикла увеличения и сброса давления. Приложение низкочастотных импульсов давления высокой амплитуды во время процесса увеличения и сброса давления приводит к расширению зоны разрывов во время каждого цикла формирования полости. В результате этого потребуется меньше циклов для достижения требуемого увеличения эффективного диаметра ствола скважины или результирующий диаметр эффективного ствола скважины может быть значительно больше, чем при стандартном процессе формирования полости.

Обработка импульсами давления может быть использована для улучшения процесса очистки скважины. После цикла формирования полости, при котором использовалась вода или другая среда для передачи импульсов давления, воду или другую среду заменяют на эффективную пенистую чистящую среду. Этот цикл чистки приведет к выносу мелких фрагментов угля потоком жидкости из скважины и тем самым к обеспечению беспрепятственного выделения газа из угольного пласта. Применение импульсов давления имеет преимущество перед обычным процессом с постоянным давлением в связи с тем, что импульсы давления обеспечивают периодическое сжатие и расширение пенных пузырьков с газом. Во время сжатия пузырек газа проникает в поры осколков угольного пласта. Во время расширения пузырьки разжижают осколки угля, облегчая их вынос потоком жидкости. Этот процесс выноса частиц необходим для эффективной чистки скважины и интенсифицируется пульсациями давления.

Обработка импульсами давления может использоваться для улучшения гидравлического разрыва. Гидравлический разрыв пласта производится путем нагнетания в ствол скважины жидкости разрыва при высоких скоростях и давлении для создания разрыва пласта и последующего введения в эту жидкость расклинивающего наполнителя, например песка. Возникший разрыв заполняется расклинивающим наполнителем, который препятствует закрытию разрыва. Этот канал с высокой проводимостью позволяет как воде, так и газу протекать с большой скоростью от угольного пласта к стволу скважины. К основным параметрам гидравлического разрыва относятся гидравлическая проводимость разрыва и геометрия разрыва. Искусственные разрывы способны проводить добываемые жидкости или газы. Разрывы с правильными геометрическими формами соединяют большое число естественных трещин, пронизывая резервуар и объединяя его со скважиной. Воздействие импульсами давления на пласт до начала создания разрыва в пласте, на этапе закачки жидкости разрыва без расклинивающего наполнителя в пласт, на этапе закачки жидкости разрыва с расклинивающим наполнителем или во время проведения всех операций разрыва приводит к следующим результатам.

Трещины угольного пласта, расположенные вдоль слоев, которые пересекаются разрывом, расширяются и приобретают неровную структуру, тем самым увеличивая свою проницаемость и способность питать разрыв.

Угольный пласт вдоль поверхности разрыва подвергается разрушению в результате растяжения и сдвига. Уголь раскрашивается, и результирующий разрыв становится шире, чем разрыв, образующийся при обычном процессе. Более широкий разрыв имеет большую гидравлическую проводимость, чем более узкий разрыв. Такой разрыв не требует обязательного применения расклинивающего наполнителя для предотвращения закрытия разрыва. Исключение расклинивающего наполнителя в разрывах приводит к увеличению пористости канала (если канал не перекрывается под действием напряжения закрытия трещины), что в свою очередь увеличивает гидравлическую проводимость разрыва. Разрыв легче распространяется из-за того, что импульсы давления вызывают эффект усталостного разрушения породы.

Создание импульсов давления для вышеописанных способов интенсификации добычи природного газа из угольных пластов может осуществляться, например, следующими генераторами импульсов давления. Может быть использован скважинный гидродинамический генератор, который создает колебания давления при закачке через него жидкости. Специальный механизм для временной блокировки и выпуска потока жидкости создает колебания. Таким механизмом могут являться механические клапаны, инерциальные клапаны вихревого типа, вращающиеся сопла, из которых выпускается жидкость при совмещении сопел, и блокируется, когда сопла не совмещены. В полностью механическом генераторе импульсов давления импульсы сжатия в жидкости создаются при ударе двух тел друг о друга. В электродинамическом импульсном генераторе используется электрический разряд для создания сильной ударной волны. Могут быть использованы также генераторы, использующие гидравлический удар, и генераторы импульсов на основе сгорания горюче-окислительных составов.

Для способов согласно настоящему изобретению могут быть использованы генераторы импульсов давления, раскрытые, например, в следующих патентах: патенты США №№4164978 (1978), 41644978 (1978), 4702315 (1987), 3863717 (1975), 4456068 (1984), 3520362 (1970), 3768520 (1973), 5197543 (1993), 5662165 (1997), 5718289 (1998), 6467542 (2000), 6015010 (2000), 6405797 (2000), 6241019 (2000); патентные документы России No. 16074 91962), 1165801 (1985), 2084705 (1993), 2085721 (1997), 2100571 (1992), 2085721 (1994), 2175718 (1997), 2193649 (2002), 1143150 (1994), 2231631 (2002), 2221141 (2004), 2176728 (2000), 2200832 (2001), 2128770 (1994), 2191896 (2002), 2003111855 (2004), 1434831 (1999), 1639127 (1987), 2087756 (1994), 2066746 (1996), 94023110 (1994), 2193649 (2002), 2186953 (2000), 2243364 (2002), 2003111855 (2004), 2175058 (1999), 2186953 (2000), 2111348 (1994), 2078200 (1994), 2175058 (1999), 2186953 (2000), 2111348 (1994), 2078200 (1994) и в приведенной выше публикации «Научные исследования» 1975, стр.61.

Наиболее предпочтительным, но необязательным вариантом для заявленных способов является использование скважинных импульсов давления, генерирующих импульсы в обрабатываемой скважине. К скважинным генераторам, которые могут быть использованы в способах согласно изобретению, относится, например, генератор, раскрытый в патенте США 6015010, предназначенный для создания волн сжатия в стволе скважины и содержащий насосную установку, устанавливаемую в устье скважины, эксплутационную колонну НКТ, спускаемую вниз в обсадную эксплутационную колонну скважины, блока полых цилиндров, соединенного с нижней частью колонны НКТ, и пары плунжеров, установленных в цилиндровом блоке и соединенных с насосной установкой с насосными и полировочными штангами, которые служат для сжатия жидкости, содержащейся в цилиндровом блоке, и для подачи сжатой жидкости в обсадную колонну скважины, создавая, таким образом, ударную волну. Цилиндровый блок включает полый верхний цилиндр, полый нижний цилиндр, установленный под верхним цилиндром, переходной цилиндр, установленный между верхним и нижним цилиндрами, и компрессорный цилиндр с камерой сжатия, установленной между переходным и верхним цилиндрами. Внутренний диаметр нижнего цилиндра больше, чем верхнего, а диаметр нижнего плунжера больше, чем диаметр верхнего. Кроме того, нижний цилиндр соответствует размеру нижнего плунжера, а верхний цилиндр соответствует размеру верхнего плунжера. Когда плунжеры смещаются вверх по цилиндровому блоку, нижний плунжер переходит в камеру сжатия, а верхний плунжер выходит из нее. Благодаря тому что диаметр нижнего плунжера больше, чем диаметр верхнего, объем камеры сжатия сокращается, таким образом, находящаяся в нем жидкость сжимается. Когда насосная установка достигает своего верхнего положения, нижний плунжер выпускает сжатую жидкость, находящуюся в камере сжатия, в скважину. В этот момент происходит быстрое стравливание давления и создается обширный удар в стволе скважины с амплитудой 200-250 бар.

Способ интенсификации добычи природного газа из угольных пластов посредством обработки пласта импульсами давления может быть осуществлен посредством приложения низкочастотных импульсов давления высокой амплитуды к угольному пласту, приводящему к возникновению разрывов в структуре пласта. Этот способ осуществляется следующим образом.

Осуществляют подготовку ствола скважины путем размещения генератора импульсов давления в стволе скважины приблизительно в зоне обработки и при необходимости заполнения скважины несжимаемой жидкостью для обеспечения эффективной связи генератора импульсов давления с угольным пластом и передачи импульсов давления к пласту. Далее регулируют генератор импульсов давления таким образом, чтобы он создавал импульсы давления требуемой частоты и амплитуды. Для обеспечения обработки импульсами давления на глубине проникновения в пласт в несколько метров должны использоваться низкочастотные волны, наиболее близкие к резонансной частоте угольного пласта. Информация о правильном определении частоты и амплитуды импульсов давления для конкретного типа пластов содержится, например, в Европейском патенте 0512331 (1992), патенте США 41644978 (1978), патентах России 1165801 (1985), 2084705 (1993), 2085721 (1997), 2100571 (1992), 2085721 (1994), 2175718 (1997), 2193649 (2002).

Время обработки определяется эмпирически в зависимости от свойств угольного пласта режима обработки. Рекомендации по продолжительности операции можно также найти в вышеупомянутых патентах.

После прекращения подачи импульсов давления при необходимости проводят процедуру осушения угольного пласта, используя насос для удаления избыточной воды или полного удаления воды из скважины. Далее, если необходимо, можно провести процедуру очистки скважины от осколков угля любым известным способом, например, путем впрыскивания чистящей пенистой среды, например азота, пены или аэрированной жидкости.

Вышеописанные стадии можно повторить требуемое число раз. Далее, при необходимости, извлекают генератор, устанавливают эксплуатационное оборудование и начинают добычу газа.

Способ интенсификации добычи природного газа из угольных пластов может осуществляться посредством обработки пласта импульсами давления для улучшения образования полостей в угольном пласте.

При проведении указанного способа осуществляют подготовку ствола скважины, при которой размещают генератор импульсов, например генератор с жидкостным приводом, в стволе скважины, располагая его приблизительно в зоне обработки, при необходимости заполняют ствол скважины несжимаемой жидкостью для обеспечения связи генератора импульсов давления с угольным пластом и передачи импульсов давления к пласту. При этом регулируют генератор импульсов давления таким образом, чтобы он создавал импульсы давления требуемой частоты и амплитуды. Выбор режима и продолжительности обработки осуществляют, как описано выше. При осуществлении данного способа можно использовать генератор импульсов давления с выпуском жидкости без резонатора так, чтобы пульсирующая струя производила режущее действие на пласт. Далее повышают давление в скважине выше давления в порах путем впрыскивания жидкости, например азота, пены или аэрированной жидкости, которое может осуществляться через указанный генератор. Осуществляют быстрый сброс давления в скважине, при котором образуются осколки угля. На поверхности открывают клапан на "выкидном колодце". Далее при необходимости осуществляют очистку скважины посредством пропускания аэрированной жидкости или пены через обрабатываемый интервал скважины для разжижения и выноса осколков угля на поверхность.

Для проведения следующего цикла образования полости заполняют скважину несжимающейся жидкостью и повторяют вышеописанные стадии до прекращения выноса осколков угля во время сброса давления. При необходимости генератор извлекают и устанавливают эксплуатационное оборудование и начинают добычу газа.

Обработка импульсами давления может быть использована для улучшения очистки скважины от осколков угля. Для этого после проведения цикла образования полости в угольном пласте жидкость, предназначенную для передачи импульсов давления, например воду или другую эффективную среду, заменяют на эффективную чистящую пенистую среду. При сжатии пенистая среда проникает в поры угольных осколков и разжижает их, облегчая увлечение угольных осколков потоком. Этот процесс выноса осколков угля требуется для эффективной очистки скважины и может быть интенсифицирован при помощи импульсов давления.

При осуществлении данного способа объединяют подачу импульсов давления и впрыскивание чистящей жидкости. При этом при использовании генераторов с жидкостным приводом проводят закачивание чистящей жидкости через этот генератор. При использовании генератора импульсов давления, установленного в соседнюю скважину, осуществляют одновременно подачу импульсов в пласт и подачу чистящей жидкости в обрабатываемую скважину. Циркуляцию чистящей жидкости в скважине заканчивают при отсутствии выноса на поверхность осколков угля.

Обработка импульсами давления может быть использована для улучшения гидравлического разрыва.

При осуществлении данного способа осуществляют подготовку ствола скважины посредством размещения генератора импульсов в скважине приблизительно в зоне обработки и заполнения скважины несжимаемой жидкостью, при необходимости, для обеспечения связи генератора импульсов давления с угольным пластом.

Осуществляют подготовку к закачке жидкости гидравлического разрыва в пласт, регулируют генератор импульсов давления таким образом, чтобы создавать импульсы давления требуемой частоты и амплитуды. Выбор режима и продолжительности обработки осуществляют, например, согласно вышеуказанным патентам.

Гидравлический разрыв угольного пласта осуществляют путем стадий нагнетания в ствол скважины жидкости разрыва при высоких скоростях и давлениях для создания разрыва пласта, последующего введения в жидкость разрыва расклинивающего наполнителя для предотвращения закрытия созданного разрыва и заключительного нагнетания жидкости разрыва без расклинивающего наполнителя для промывки скважины. При этом импульсами давления воздействуют на угольный пласт до создания гидравлического разрыва или при нагнетании в ствол скважины жидкости разрыва для создания разрыва пласта, или при введении в жидкость разрыва расклинивающего наполнителя, или при заключительном нагнетании жидкости разрыва для промывки скважины, или при осуществлении нескольких или всех указанных стадий. Выбранный режим воздействия импульсами давления при различных стадиях гидравлического разрыва влияет на результирующую геометрию разрыва пласта.

В одном из вариантов способа проводят операции гидравлического разрыва без использования расклинивающего наполнителя. Возможность осуществления такого способа была объяснена выше.

После завершения стадий гидравлического разрыва при необходимости извлекают генератор, устанавливают эксплуатационное оборудование и начинают добычу газа.

Ниже приводятся конкретные примеры реализации вышеописанных способов.

Для определения необходимой частоты генерации импульсов давления для различных режимов применения в вышеописанных способах используются следующие алгоритмы, которые далее называются «Алгоритм».

Алгоритм 1 - это использование экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что эффективное образование трещин в результате растяжения и сдвига пласта происходит в диапазоне частот следования импульсов (количество импульсов в секунду) от 0,1 до 500 герц.

Алгоритм 2 предполагает установку измерительной системы до обработки пласта в наблюдательную скважину для измерения характеристик вибрации пласта. Измерительная система должна иметь связь с исследуемым продуктивным интервалом. Затем устанавливают генератор импульсов давления в соседнюю скважину, включают его для создания импульсов давления, ступенчато увеличивают частоту генератора, регистрируют колебания пласта в наблюдательной скважине и выбирают наиболее эффективную частоту посредством оценки вибраций пласта в наблюдательной скважине, отвечающих определенным частотам работы генератора.

Алгоритм 3 предполагает запись системы уравнений линейно упругой пористой среды, представляющей пласт вокруг ствола скважины, решение уравнений для условий, при которых пласт подвержен воздействию периодических импульсов давления или единичного импульса давления, расчет зоны разрушения пласта от действия сил растяжения и сдвига в пласте вокруг ствола скважины и выбор частоты и амплитуды импульсов давления, которые обеспечивают максимальные размеры зоны разрушения пласта.

Алгоритм 4 предполагает запись системы уравнений линейно упругой пористой среды, представляющей пласт вокруг ствола скважины, решение уравнения для условий, при которых пласт подвержен воздействию периодических импульсов давления или единичного импульса давления, расчет зоны разрушения пласта от действия сил растяжения и сдвига в пласте вокруг трещины в пласте и выбор частоты и амплитуды, которые обеспечивают максимальные размеры зоны разрушения.

В нижеприведенных примерах использовали генератор импульсов давления, раскрытый в патенте США 6015010, который является механическим, создает импульсы давления при ходе насосных штанг вверх и вниз при работе насоса-качалки на поверхности и способен обеспечить гидравлический удар в стволе скважины с амплитудой 200-250 бар.

Пример 1

Применение воздействия импульсами давления на угольный пласт для повышения эффективности создания полости в угольном пласте

а) Скважина проходит в угольный пласт, содержащий адсорбированный метан, на глубину приблизительно 800 метров. Продуктивный интервал имеет протяженность 10 метров, пористость 2%, проницаемость 25 миллидарси, температуру 25°С, пластовое давление равно 50 бар, модуль упругости 0,5 млн. фунтов на кв. дюйм и коэффициент Пуассона 0,34.

Используют «Алгоритм» для определения возможности обработки этой скважины с помощью генератора, создающего импульсы давления 50 бар с частотой 60 герц.

Скважину заполняют солевым раствором с концентрацией KCl 4% по весу для контроля давления. С помощью установки капитального ремонта скважин извлекают скважинный штанговый насос, насосные штанги и эксплуатационную колонну НКТ с пакером. Генератор импульсов давления устанавливают на эксплуатационной колонне НКТ, и эту колонну вновь спускают в скважину. Закачку жидкости для обработки прискважинной зоны начинают после спуска генератора на глубину, соответствующую кровле продуктивного интервала. Через генератор закачивают отфильтрованный раствор (с весовой концентрацией KCl 4%). Закачиваемая жидкость, проходя через генератор, периодически создает давление в аккумуляторе. Во время повышения давления в аккумулятор поступает некоторая часть закачиваемой жидкости, и поэтому общий расход закачки в пласт меньше среднего расхода закачки, в связи с чем давление закачки на забое падает. В момент полного заполнения аккумулятора рост давления инициирует быстрый сброс накопленной жидкости. Этот сброс увеличивает общий расход закачки в пласт, который превышает средний расход закачки, и поэтому давление закачки на забое возрастает. С помощью этого механизма периодических пульсаций создают необходимые амплитуды и частоты импульсов давления. Закачку продолжают до достижения давлением разрыва пласта. Здесь давление гидравлического разрыва пласта - это давление, при котором гидростатический напор жидкости инициирует развитие трещины от ствола скважины. Импульсы давления, созданные генератором, периодически превышают давление гидравлического разрыва. Когда закачиваемая жидкость поступает в породу, в прискважинной зоне создается градиент давления. Градиент давления в сочетании с периодическими импульсами давления вызывает разрушение породы в прискважинной зоне пласта вследствие деформаций растяжения. Импульсы давления разрушают блоки матрицы угольного пласта, дробя угольный пласт вдоль сети трещин. Такую обработку импульсами давления выполняют в течение промежутка времени от 15 минут до нескольких часов.

В конце обработки импульсами давления указанный солевой раствор вытесняют в пласт с помощью пенного азота (0,7/0,3 объемная смесь азота и воды с загустителем и поверхностно-активным веществом (ПАВ) для стабилизации структуры пены, конкретные объемные доли определяют для данных забойных условий). Закачку азота продолжают для создания давления в прискважинной зоне до величины, намного превышающей величину пластового давления. Пена способна легко проникать в ослабленный и разрушенный угольный пласт. После закачки всего объема пены (объем должен обеспечить заполнение продуктивного интервала на глубину радиусом до 3 метров), в стволе скважины быстро сбрасывают давление. При сбросе давления ослабленный и разрушенный до состояния щебня уголь выносится через скважину на поверхность в приемный резервуар. Вынос обломков угля и азота из скважины продолжается до полного сброса давления. В ходе обработки увеличивается радиус ствола скважины, а также очищаются поры угольной породы непосредственно вокруг ствола скважины. В течение периода времени от нескольких часов до одного или нескольких дней можно выполнить от 2 до 10 циклов обработки, включающих генерацию импульсов давления, создание избыточного забойного давления с помощью пены и быстрого сброса давления в скважине. Процесс создания импульсов давления значительно повышает эффективность разрушения угольного пласта и создание полости.

Затем скважину очищают путем закачивания пенной жидкости и ее последующей циркуляции через ствол скважины для разжижения и выноса шлама из ствола скважины. Такую циркуляцию выполняют путем закачки жидкости по гибким насосно-компрессорным трубам (НКТ), спущенным на уровень кровли продуктивного интервала и постепенно продвигаемым к забою через небольшие интервалы. Периодически глубину погружения гибкой НКТ выдерживают постоянной для обеспечения тщательной очистки данного интервала от обрушившегося материала. Очистку ствола скважины с помощью гибких НКТ продолжают до достижения забоя. Затем гибкие НКТ извлекают из скважины, продолжая циркуляцию. После подъема гибких НКТ в скважину вновь спускают эксплуатационную колонну НКТ, насосные штанги и насос. Скважину вновь начинают эксплуатировать.

б) Способ согласно данному примеру осуществляют аналогично примеру а), но модифицируют процесс очистки скважины.

Как и в вышеописанном примере, скважину чистят в конце циклов повышения и сброса давления. Циркуляцию выполняют путем закачки жидкости по гибким насосно-компрессорным трубам (НКТ), спущенным на уровень кровли продуктивного интервала и постепенно опускаемым к забою через небольшие интервалы в накоплениях обрушившегося материала. Периодически глубину погружения гибких НКТ выдерживают постоянной для более тщательной очистки данного интервала ствола скважины перед дальнейшим продвижением к забою. Очистку ствола скважины с помощью гибких НКТ продолжают до очистки скважины до самого забоя. В данном примере повышают эффективность очистки скважины, применяя генератор импульсного давления во время циркуляции пены. Во время работы генератора импульсов давления пузырьки пены начинают пульсировать, поочередно увеличиваясь и уменьшаясь. Во время импульсов сжатия пена проникает в поры между угольными обломками, находящимися в стволе скважины. В ходе расширения пузырьков пена разрыхляет слой угольных обломков, содействуя их захвату циркулирующим потоком. Генератор импульсов давления устанавливают на конце гибких НКТ. Он имеет такой же механизм генерации импульсов давления и характеристики импульсов, как и у генератора, применяемого для создания полости. Основным различием является то, что давление в стволе скважины при очистных работах ниже, чем давление гидравлического разрыва пласта, и имеет величину, достаточно низкую для оттока флюидов из пласта для последующего удаления через скважину. В конце работ по чистке скважины гибкие НКТ извлекают из скважины, продолжая циркуляцию. После подъема гибких НКТ в скважину вновь спускают эксплуатационную колонну, насосные штанги и насос, и скважину вновь начинают эксплуатировать.

Пример 2

Применение воздействия импульсами давления на угольный пласт для повышения эффективности гидравлического разрыва угольного пласта, осуществляемого без использования расклинивающих наполнителей

а) Скважина проходит в угольный пласт, содержащий адсорбированный метан, на глубину приблизительно 800 метров. Продуктивный интервал имеет протяженность 10 метров, пористость 2%, эффективную проницаемость 25 миллидарси, температуру 25°С, пластовое давление равно 50 бар, модуль упругости составляет 0,5 млн. фунтов на кв. дюйм и коэффициент Пуассона 0,34.

Используют «Алгоритм» для определения возможности обработки этой скважины с помощью генератора, генерирующего импульсы давления 75 бар с частотой 20 герц.

Скважину заполняют солевым раствором с массовой концентрацией KCl 4% для контроля давления, устанавливают генератор импульсов давления и осуществляют закачку жидкости разрыва после спуска генератора на глубину, соответствующую кровле продуктивного интервала.

При проведении гидравлического разрыва пласта жидкости разрыва закачивают через насосно-компрессорные трубы и также через затрубное пространство между НКТ и обсадной колонной. Жидкость разрыва содержит добавки, повышающие ее вязкость. В данном примере эта жидкость содержит полимерный загуститель - гуар в объеме 0,4% по весу, борную кислоту в объеме 0,014% по весу, необходимое количество каустической соды для повышения значения рН во флюиде до 9,6, биоцид в объеме 0,003% по весу, ПАВ в объеме 0,2% для придания поверхности угля гидрофобных характеристик (этоксилированный бутоксилированный спирт) и окислитель в капсулах в объеме 0,25% по весу для гидратации флюида. Такая жидкость называется сшитым гелем.

Сшитый гель начинают закачивать одновременно через затрубное пространство и через НКТ. Скорость закачки повышают медленно до достижения давления гидравлического разрыва пласта. Скорость закачки повышают приблизительно от расхода, равного 0,5 м³/мин, до постоянного расхода, равного от 3 до 4 м³/мин, для развития трещины на большое расстояние от ствола скважины. Расход сшитого геля, закачиваемого через затрубное пространство, является постоянным, в то время как расход сшитого геля, выходящего из конца НКТ, является пульсирующим в связи с работой скважинного генератора импульсов давления. Сшитый гель, протекающий через генератор, периодически повышает давление в аккумуляторе. Во время повышения давления в аккумулятор поступает некоторая часть закачиваемой жидкости, и поэтому общий расход закачки в пласт меньше среднего расхода закачки, в связи с чем давление закачки на забое падает. В момент полного заполнения аккумулятора рост давления инициирует быстрый сброс накопленной жидкости. Этот сброс увеличивает общий расход закачки в пласт, который превышает средний расход закачки, и поэтому давление закачки на забое возрастает. С помощью этого механизма периодических пульсаций создают необходимые амплитуды и частоты импульсов давления. Во время этой обработки закачивают только жидкость разрыва: всего около 200 м³. Генератор импульсов давления работает в течение всего времени закачки. Закачка жидкости разрыва создает и развивает трещину в стороны от ствола скважины на удаление от 300 до 400 футов, в то время как импульсы давления содействуют разрушению пласта, создавая напряжения сжатия-растяжения и сдвига на поверхности трещины и в плоскостях, параллельных поверхности трещины. В отличие от основных трещин гидравлического разрыва, трещины, созданные за счет импульсов давления, распространяются по сети трещин угольного пласта: вдоль и перпендикулярно угольным прослойкам. Импульсы давления разрушают структуру матрицы угольного пласта, эффективно дробя пласт по сети трещин. Такую обработку, сочетающую гидравлический разрыв и воздействие импульсами давления на пласт, выполняют в течение приблизительно 1 часа во время закачки всего объема жидкости в пласт.

В конце закачки сшитого геля последний вытесняют из обсадной колонны с помощью солевого раствора KCl с концентрацией 4%, содержащей гуар с концентрацией 0,2% по весу. Затем вытеснение осуществляют с помощью пенного раствора, содержащего гуар с концентрацией 0,2% и солевым раствором KCl, который закачивают с целью ослабить гидростатический напор в стволе скважины (забойные характеристики пены: 70% азота по объему, 30% вода, содержащая 0,2% гуара по весу и от 0,1 до 1,0% по объему ПАВ). Закачку в затрубное пространство прекращают после окончательного вытеснения сшитого геля в пласт (когда пенный несшитый гуаровый раствор заполнит все затрубное пространство и НКТ). Закачку пены продолжают через НКТ. Клапан в затрубном пространстве открывают, позволяя скважинной жидкости протекать через ствол скважины и через клапан в приемный резервуар. Во время оттока текучей среды из скважины забойное давление в стволе скважины падает до уровня, приблизительно от 5 до 10 бар, и при этом закачанная жидкость разрыва выходит из скважины. Во время выхода скважинной текучей среды из трещины осколки угля приобретают ориентацию, при которой происходит предотвращение полного закрытия основных и дополнительных трещин. Полученные трещины характеризуются высокой гидравлической проводимостью.

Скважину чистят в конце процесса выхода скважинной текучей среды аналогично примеру 1.

б) Скважина проходит в угольный пласт, содержащий адсорбированный метан, на глубину приблизительно 800 метров. Продуктивный интервал имеет протяженность 10 метров, пористость 2%, эффективную проницаемость 25 миллидарси, температуру 25°С, пластовое давление равно 800 фунтов на кв. дюйм, модуль упругости составляет 0,5 млн. фунтов на кв. дюйм и коэффициент Пуассона 0,34.

Используют «Алгоритм» для определения возможности обработки этой скважины с помощью генератора, генерирующего импульсы давления 200 бар с частотой 0,1 герца.

В данном примере способ осуществляют аналогично способу по примеру а), но при этом генератор импульсов давления устанавливают на глубину 5 метров выше кровли продуктивного интервала, и в качестве жидкости разрыва в данном примере используют жидкость разрыва, содержащую KCl с концентрацией 4% по весу, вязкоупругий ПАВ с концентрацией от 0,5 до 3% по объему, органическое поверхностно-активное вещество (ПАВ) с концентрацией от 0,2 до 0,4 по объему в виде этоксилированных-бутоксилированных гликолей, имеющих от 1 до 5 этилен-оксидных групп и от 5 до 10 бутилен-оксидных групп. Этот состав является неповреждающим вязкоупругим раствором ПАВ. Очистку скважины осуществляют без использования генератора импульсов.

в) Скважина проходит в угольный пласт, содержащий адсорбированный метан, на глубину приблизительно 800 метров. Продуктивный интервал имеет протяженность 10 метров, его пористость составляет 2%, эффективная проницаемость 25 миллидарси, температура 25°С, пластовое давление 50 бар, модуль упругости 0,5 млн. фунтов на кв. дюйм и коэффициент Пуассона 0,34.

Применяют «Алгоритм» для определения возможности обработки этой скважины с помощью генератора, способного создавать импульсы давления с амплитудой 70 бар и частотой 300 герц.

Способ выполняют аналогично способу по примеру а), но с использованием генератора для создания импульсов давления со встроенной в него трубкой Вентури. При прохождении сшитого геля через трубку Вентури возникает кавитация. Источником импульсов давления является схлопывание пузырьков газа в расширяющейся части трубки Вентури. При помощи этого механизма пульсаций обеспечивается необходимая амплитуда и частота импульсов давления. В процессе данной обработки закачивается только сшитый гель. В общей сложности его объем составляет 200 м³. Генератор импульсов давления работает в течение всего времени. Импульсы давления, созданные данным генератором, фокусируются по направлению вниз и вдоль трещины и создают концентрацию напряжений по мере схлопывания пузырей вблизи стенок трещины. Закачкой геля создают и расширяют трещину, простирающуюся от ствола скважины на расстояние 300-400 футов, а импульсы давления содействуют разрушению пласта, создавая напряжения сжатия-растяжения и сдвига на поверхности трещины и в плоскостях, параллельных поверхности трещины. Эти импульсы давления, как указывалось ранее, эффективно разрушают угольный пласт вдоль сети трещин угольного пласта. Весь процесс гидравлического разрыва вместе с обработкой импульсами давления занимает около 1 часа, пока весь объем жидкости закачивается в пласт.

Пример 3

Применение воздействия импульсами давления на угольный пласт только во время закачивания жидкости разрыва в пласт для повышения эффективности гидравлического разрыва пласта, осуществляемого с использованием расклинивающего наполнителя Скважина проходит в продуктивный угольный пласт, содержащий адсорбированный метан, на глубину приблизительно 800 метров. Продуктивный интервал имеет протяженность 10 метров, его пористость составляет 2%, эффективная проницаемость 25 миллидарси, температура 25°С, пластовое давление 50 бар, модуль упругости 0,5 млн. фунтов на кв. дюйм и коэффициент Пуассона 0,34.

Применяют «Алгоритм» для определения возможности обработки этой скважины с помощью генератора, способного создавать импульсы давления с амплитудой 75 бар и частотой 20 герц.

Скважину заполняют солевым раствором с концентрацией KCl 4% по весу для контроля давления, генератор импульсов давления устанавливают в скважину и начинают закачку жидкости разрыва для обработки приствольной зоны после спуска генератора на глубину, соответствующую кровле продуктивного интервала.

В ходе операции гидравлического разрыва пласта жидкость закачивается как в колонну НКТ, так и в затрубное пространство. В качестве жидкости разрыва используют вышеописанный сшитый гель или раствор вязкоупругого поверхностно-активного вещества. Процесс гидравлического разрыва пласта осуществляется вышеописанным в других примерах образом, при этом закачиваемая жидкость, проходя через генератор, периодически вызывает повышение давления в аккумуляторе. Во время повышения давления в аккумулятор поступает некоторая часть закачиваемой жидкости, и поэтому общий расход закачки в пласт меньше среднего расхода закачки, в связи с чем давление закачки на забое падает. В момент полного заполнения аккумулятора рост давления инициирует быстрый сброс накопленной жидкости. Этот сброс увеличивает общий расход закачки в пласт, который превышает средний расход закачки, и поэтому давление закачки на забое возрастает. С помощью этого механизма периодических пульсаций создают необходимые амплитуды и частоты импульсов давления. В процессе такой обработки закачивают 70 м³ жидкости разрыва без расклинивающего наполнителя - этап закачки жидкости разрыва в пласт без расклинивающего наполнителя. Генератор импульсов давления работает только на этом этапе. Закачкой жидкости разрыва создают и расширяют трещину, проходящую от ствола скважины на расстояние 300-400 футов, а импульсы давления содействуют разрушению пласта, создавая напряжения сжатия-растяжения и сдвига на поверхности трещины и в плоскостях, параллельных поверхности трещины. Весь процесс гидравлического разрыва вместе с обработкой импульсами давления занимает около 1 часа, пока весь объем жидкости закачивается в пласт.

После завершения этого этапа закачки в оставшуюся жидкость разрыва добавляется расклинивающий наполнитель. На начальном этапе степень концентрации расклинивающего наполнителя низкая, но постепенно ее увеличивают. В начале обработки концентрация расклинивающего наполнителя составляет 1% по весу жидкости разрыва и к концу - 50% по весу жидкости разрыва. Жидкость разрыва с расклинивающим наполнителем закачивается только в затрубное пространство. Общий объем закаченной жидкости составляет 140 м³. В процессе закачивания жидкости разрыва с расклинивающим наполнителем генератор импульсов давления не работает. Дальнейшие стадии процесса осуществляют, как в примере 2.

4. Пример применения непрерывного воздействия импульсами давления на угольный пласт при осуществлении гидравлического разрыва во время стадии закачки жидкости разрыва и на стадии закачки расклинивающего наполнителя.

а) Скважина проходит в продуктивный угольный пласт, содержащий адсорбированный метан, на глубину около 800 метров. Продуктивный интервал имеет протяженность 10 метров, его пористость составляет 2%, проницаемость 25 миллидарси, температура - 25°С, пластовое давление 50 бар, модуль упругости равен 0,5 млн. фунтов на квадратный дюйм, коэффициент Пуассона равен 0,34.

Применяют «Алгоритм» для определения возможности обработки этой скважины с помощью генератора, способного создавать импульсы давления величиной 75 бар при частоте 20 герц.

Скважину заполняют солевым раствором с концентрацией KCl 4% по весу для контроля давления, генератор импульсов давления спускают в скважину. Начинают закачку жидкости разрыва для обработки приствольной зоны после спуска генератора на глубину, соответствующую кровле продуктивного интервала.

Жидкость закачивается в затрубное пространство между насосно-компрессорными трубами и обсадной колонной. В качестве жидкости разрыва используют вышеописанные сшитый гель или раствор вязкоупругого поверхностно-активного вещества.

Закачка жидкости разрыва без расклинивающего наполнителя при воздействии импульсами давления, созданными генератором, осуществляется аналогично примеру 3. Гидравлический разрыв и воздействие импульсами давления длятся около 1 часа, пока весь объем жидкости не будет закачан в пласт.

После первого этапа закачки к остатку жидкости разрыва добавляют расклинивающий наполнитель. В начале обработки концентрация расклинивающего агента составляет 1% веса геля, а к концу увеличивается до 50%. Жидкость разрыва с расклинивающим наполнителем закачивают только через затрубное пространство. Всего закачивают около 140 м³ жидкого раствора. Генератор импульсов давления работает и во время этой стадии - стадии закачки жидкости разрыва с расклинивающим наполнителем. Остальные стадии процесса осуществляются аналогично предыдущим примерам.

Реферат

Изобретение относится к способам интенсификации добычи природного газа из угольных пластов. Обеспечивает повышение эффективности способа за счет воздействия на пласт импульсами давления. Сущность изобретения: способ включает воздействие на пласт импульсами давления и создание полости в угольном пласте посредством циклического увеличения и снижения давления жидкости в скважине. При этом в качестве импульсов давления используют низкочастотные импульсы давления высокой амплитуды. Воздействие на пласт низкочастотными импульсами давления высокой амплитуды осуществляют при увеличении давления жидкости в скважине. 3 з.п. ф-лы.

Формула