«ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ЗА СЧЕТ ВЫТЕСНЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ...»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Тюменский государственный

нефтегазовый университет»

(ТюмГНГУ)

Кафедра «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых

месторождений»

На правах рукописи

БАРЫШНИКОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УВЕЛИЧЕНИЯ

НЕФТЕОТДАЧИ ЗА СЧЕТ ВЫТЕСНЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Специальность 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор техн. наук Стрекалов А.В.

Тюмень – Содержание ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УВЕЛИЧЕНИЯ

НЕФТЕОТДАЧИ ПУТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

ПЛАСТЫ И ПЛАСТОВЫЕ ФЛЮИДЫ

1.1 Электромагнитное воздействие на продуктивные пласты........... 1.2 Плазменно-импульсное воздействие на призабойную зону пласта

1.3 Электрическое воздействие на нефтяные пласты

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 1

РАЗДЕЛ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФИЗИЧЕСКУЮ МОДЕЛЬ КЕРНА

2.1 Разработка лабораторной установки, генерирующей высокочастотное электромагнитное поле

2.1.1. Расчет параметров лабораторной установки

2.1.2. Принципы работы электротехнической части установки.... 2.1.3. Описание гидродинамической части установки

эксперименты по исследованию 2.2аГидродинамические электромагнитного воздействия

2.2.1. Определение критического градиента давления начала фильтрации

2.2.2. Выявление степени воздействия электромагнитной обработки на эффективность вытеснения нефти водой

2.2.3. Выявление изменения подвижности нефти при электромагнитном воздействии

2.2.4. Вытеснение технического масла под воздействием электромагнитного поля

2.2.5. Вытеснение нефти при помощи магнитной жидкости в электромагнитном поле

2.2.6. Анализ результатов экспериментов по электромагнитному воздействию

2.3. Расчет глубины проникновения электромагнитного излучения в породу коллектора

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2

РАЗДЕЛ 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДОБЫЧИ НЕФТИ С

ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

3.1 Моделирование разработки Андреевского месторождения с применением электромагнитного воздействия

3.1.1 Краткая характеристика Андреевского месторождения....... 3.1.2. Описание базового расчета модели

3.1.3. Описание расчета гидродинамической модели с применением электромагнитного воздействия

3.2. Моделирование процессов добычи нефти по объектам Ачимовской толщи

3.2.1 Результаты моделирования по Выинтойскому месторождению

3.2.2. Результаты моделирования по Быстринскому месторождению

3.2.3. Результаты моделирования по Верхне-Колик-Еганскому месторождению

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3

РАЗДЕЛ 4. ПРОГНОЗ ДОБЫЧИ НЕФТИ

ТРУДНОИЗВЛЕКАЕМЫХ ЗАПАСОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАПАДНОЙ

СИБИРИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ

ПЛАСТА

4.1 Классификация трудноизвлекаемых запасов углеводородов.... 4.2 Особенности продуктивных пластов Ачимовской толщи......... 4.3 Прогноз добычи углеводородов по ачимовской толще с учетом применения технологии электромагнитного воздействия на продуктивные пласты

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 4

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы На сегодняшний день необходимо применение не классических управляемостью, энергоэффективностью и экологичностью, как на поздних стадиях разработки месторождений с геологически обусловленными трудноизвлекаемыми запасами нефти, так и на ранних стадиях разработки с физически обусловленными трудноизвлекаемыми запасами. Для трудноизвлекаемых запасов нефти, обусловленных геологическими условиями залегания, выраженными в макронеоднородности коллекторов, множественных водонефтяных контактах, разломах, тектонических экранах управляемое физическое воздействие на фильтрационные процессы позволит месторождений с физически обусловленными затруднениями вытеснения, вызванными высокой вязкостью нефти, реологическими свойствами, высокой долей микрокапилляров, требуется прямое длительное действие на флюиды для стимуляции фильтрационных процессов за счет снижения вязкости, градиента сдвига и капиллярных сил.

Учитывая опыт экспериментов, проводимых в СССР, и, не смотря на то, что они не получили широкого внедрения, из-за большой доли «легкоизвлекаемых» запасов в эпоху социализма, следует полагать, что эффективным методом повышения нефтеотдачи является воздействие на продуктивные пласты физическим полями.

воздействие электрическим током, плазменно-импульсное воздействие, электромагнитное воздействие. Воздействие электрическим током промышленной частоты и напряжения путем спуска электродов в скважины не дало особых результатов и, в связи с этим не было внедрено на промысле.

Плазменно-импульсное воздействие является перспективным методом, но в направлении интенсификации притока нефти из пласта в скважину.

Индустриального института была разработана технология воздействия физическими полями, которая положительно влияет на рост нефтеотдачи:

воздействие электромагнитными полями разных диапазонов частот и напряженности. При внедрении технологии электромагнитного воздействия на промысле были получены положительные результаты по добыче дополнительной нефти. Данная технология не была доведена до полной реализации на месторождениях Западной Сибири, но все еще является перспективным направлением.

Ведущие нефтяные компании России сегодня заинтересованы в развитии новых, мобильных и наиболее эффективных техникотехнологических решений для увеличения нефтеотдачи, позволяющих их использовать методов за пределами одного промысла и без необходимости длительного формирования инфраструктуры.

проводиться с научно-техническим сопровождением, так как опыт и удовлетворительными для отраслевой, вузовской и академической науки.

Цель работы Повышение коэффициента извлечения нефти при ее вытеснении за счет обоснования применения технологии электромагнитного воздействия на флюиды и породы продуктивного пласта.

Основные задачи исследования:

1. Анализ существующих методов электрического и электромагнитного воздействия на нефтяные пласты с целью увеличения нефтеотдачи и/или интенсификации добычи углеводородного сырья.

исследования физической модели нефтесодержащего пласта в условиях воздействия электромагнитного поля совместно со вспомогательными агентами.

3. Анализ влияния параметров электромагнитного излучения на характеристики фильтрации и реологические свойства нефти.

4. Сопоставление действующих по проекту разработки месторождений гидродинамических моделей с применением электромагнитной обработки и без.

Объект и предмет исследования Объектом исследования является продуктивный пласт, предметом исследования – процессы и закономерности вытеснения нефти с применением электромагнитного воздействия.

Методы решения поставленных задач Проведение лабораторных опытов, физическое и математическое моделирование изучаемых процессов, методы математической статистики, лабораторные и графоаналитические подходы и методы.

Научная новизна:

1. Экспериментально установлена зависимость дополнительного извлечения нефти в зависимости от характеристик электромагнитного воздействия на нефтесодержащий пласт, с использованием магнитной жидкости в качестве вспомогательного агента, что повышает эффективность электромагнитного воздействия.

2. Установлена степень влияния электромагнитного воздействия на преодоление критического градиента давления начала фильтрации в условия внутрипорового течения.

3. Установлен характер влияния электромагнитного воздействия током высокой частоты на повышение коэффициента подвижности нефти в водонефтенасыщенных коллекторах.

Защищаемые положения:

1. Результаты лабораторных экспериментов по извлечению нефти на высокочастотным электромагнитным полем в сочетании со вспомогательным агентом.

2. Сравнительный анализ гидродинамических моделей месторождения электромагнитного воздействия на коллектор.

3. Результаты прогноза по добычи нефти из пластов ачимовской толщи.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений:

п.2 – «Геолого-физические и физико-химические процессы, протекающие в пластовых резервуарах и окружающей геологической среде при извлечении из недр нефти и газа известными и создаваемыми вновь технологиями и техническими средствами для создания научных основ эффективных систем разработки месторождений углеводородов и функционирования подземных хранилищ газа».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основана на теоретических и экспериментальных исследованиях, с использованием искусственной модели нефтеводосодержащего насыпного керна, естественных образцов нефти, современной лабораторноисследовательской аппаратуры, в том числе собранной лабораторной установки для высокочастотного электромагнитного воздействия, теории эксперимента и современных компьютерных технологий. Перспективность применения метода подтверждена результатами компьютерного моделирования (программы «Tempest», «HydraSym»).

Практическая ценность и реализация 1. Использование разработанного методы электромагнитного воздействия на нефтенасыщенный коллектор для повышения нефтеотдачи в нефтеводонасыщенных коллекторах.

генерирующая электромагнитное поле высокой частоты и напряженности, используется для изучения параметров вытеснения нефти из насыпных моделей пласта и керна.

3. Рассчитанные показатели повышения нефтеотдачи при применении электромагнитного воздействия на реальных месторождениях уверенно показывают положительную оценку рентабельности применения данного способа на этих месторождениях.

4. Разработана схема реализации метода воздействия на коллектор электромагнитным полем для промышленной добычи нефти.

Апробация результатов работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: седьмой Всероссийской конференции «Геология и нефтегазоносность ЗСМБ» (2011 г); международном научном симпозиум имени академика М.А.Усова студентов и молодых ученых (Томск: ТПУ, 2012 г); 2-й конференции молодых ученых и специалистов ООО «ЛукойлИнжиниринг» (2012 г); 66-й международной молодежной конференции (2012 г); международном симпозиуме студентов и молодых ученых им.

академика М.А. Усова (Томск, ТПУ, 2013 г).

Публикации Результаты выполненных исследований отражены в 20 печатных работах, в том числе в 4-х статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 78 рисунков. Состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 103 наименования.

РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УВЕЛИЧЕНИЯ

НЕФТЕОТДАЧИ ПУТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

ПЛАСТЫ И ПЛАСТОВЫЕ ФЛЮИДЫ

В настоящее время для увеличения добычи нефти повышают объемы применения различных методов увеличения нефтеотдачи пластов, в основном физико-химические [82]. В воду, закачиваемую в пласт, добавляют различные химические соединения: щелочи, поверхностно-активные вещества, синтетические полимеры, биологические полимеры.

На данный момент месторождения имеют определенные сложности при их разработке. К осложненным физико-геологическим условиям можно отнести: месторождения твердых природных битумов, парафинистой и высоковязкой нефти, изокерита, газогидратов, нефтяных сланцев. На месторождениях с такими данными снижается фильтрация за счет отложения асфальто-смоло-парафинистых отложений в призабойной зоне пласта, малой подвижностью и высокой вязкостью флюида [54].

Традиционные и инновационные методы извлечения углеводородов не позволяют достичь 100% добычи извлекаемых запасов. Применение данных методов приводит к необратимым последствиям, которое исключает возможность извлечения оставшейся нефти более перспективными методами, которые весьма вероятно появятся в будущем [30].

В связи с поддержанием экологической безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых целесообразно использовать эффективное, неразрушающее воздействие на продуктивные пласты.

В настоящее время известен только один комплекс бездефектных методов воздействия на пласт – это воздействие физическими полями. К данному воздействию можно отнести: электромагнитное, плазменноимпульсное, электрогидравлическое и другие.

1.1 Электромагнитное воздействие на продуктивные пласты В работе «Перспективы применения метода электровоздействия на продуктивный нефтегазосодержащий пласт для интенсификации притоков нефти к скважинам» (1988г) С.И. Кицис, П.Л. Белоусов и М.В. Ульянов асфальтенами, парафинами, битумами и методах интенсификации притокпа нефти [37].

Выполненные лабораторные исследования ученых Тюменского Индустриального института выявлено, что воздействие на модель пласта и пластового флюида, электромагнитными волнами значительно увеличивает показатели фильтрационно-емкостных свойств пласта и способствует дополнительному нефтеизвлечению. При закачке в модель пласта электролита (солевой раствор) наблюдалось многократное увеличение эффекта.

Являясь хорошим проводником электрического тока, солевой раствор способствует повышению температуры в продуктивном пласте, под воздействием электромагнитного поля. Усиление термического эффекта, в особенности в приближенной к призабойной зоне пласта, провоцирует уменьшение вязкости и очистки от тяжелых углеводородов порового пространства пласта под воздействием давления[36, 84].

фильтрационных потенциалов статического электричества, которые возникает в нефтесодержащих коллекторах и препятствует течению нефти.

Находясь в области действия переменного электрического поля, скопления молекул жидких углеводородов начинают колебаться с частотой, зависящей от источника электроэнергии. Это приводит к снижению вязкости нефти, способствующему увеличению добычи [32].

Рассмотренный метод был внедрен на Усть-Балыкском месторождении «Юганскнефтегаз». Электроды, прикрепленные к оголенным концам высоковольтных кабелей, спускаются в экспериментальные скважины на колонне насосно-компрессорных труб. В качестве электрода использовалась часть утяжеленной бурильной трубы длинной 1 метр с внешним диаметром 140 мм. В нижней части трубы равномерно по окружности сверлятся отверстия диаметром 10 мм, в которых нарезается резьба, и с внутренней стороны вворачиваются винты, на которых закрепляются луженные наконечники питающего кабеля. В результате осуществляется «запараллеливание» жил на теле электрода. Нижняя часть электрода располагается у подошвы продуктивного пласта. Конструкция предполагает ограничение по суммарному току в используемом кабеле – 230 А, с учетом поправочного коэффициента на пластовую температуру. Для поддержания такого тока необходимая максимальная мощность источника электроэнергии составляет 216 кВт. При этом полезная мощность в призабойной зоне пласта, составляет 100 кВт (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Схема электровоздействия на призабойную зону пласта На момент написания рассматриваемой статьи предложенный авторами способ предположительно позволяет увеличить коэффициент нефтеотдачи на 20-25%.

Уфимскими учеными (Ф.Л. Саяхов и Л.А.Ковалева, В.П. Дыбленко, И.А.Туфанова) проводились исследования процессов, протекающих в продуктивных пластах в условиях воздействия высокочастотного и сверхвысокочастотного электромагнитного поля и обоснование применения данных полей в разных технологических процессах долгий период времени[57,58]. Испытания проводились на скважинах Ишимбайского месторождения компании «АНК Башнефть», Сугушлинской и МордовоКармальской битумных залежей компании «Татнефть». В результате получен эффект объемного разогрева пласта в радиусе более 10м в призабойных зонах пластов [59]. Также приведенными выше учеными разработана экспериментальная технология циклической добычи высоковязких нефтей и битумов, определена перспектива использования комплексного высокочастотного электромагнитного воздействия на призабойную зону пласта и сам пласт совместно с физико-химическими и иными методами [60].

сверхвысокочастотного электромагнитного воздействия на призабойную зону пласта с помощью сверхвысокочастотного генератора и гирлянд сверхвысокочастотного генераторов. Зона воздействия при этом не превышает 1,2 – 1,5м из-за сильного поглощения продуктивным пластом электромагнитной энергии СВЧ диапазона [61,62]. Метод находится в стадии доработки в виду сложности технического осуществления.

В научной литературе закрепилось мнение положительного характера о том, что существует возможность применения и технической реализации воздействия высокочастотным электромагнитным полем с целью стимулирования и интенсификации процессов добычи высоковязкой нефти [63,64].

высокочастотного поля в пористой среде, содержащей вязкие углеводороды, возникает объемный прогрев области призабойной зоны пласта, что приводит к интенсивному выделению растворенных газов, испарению легких углеводородов, интенсификации процесса пиролиза, изменению агрегатного состояния вещества и другим физико-химическим явлениям [66, 67, 69].

Длительная обработка приводит к возникновению в коллекторе упругой газообразной фазы [73,76].

В монографии «Комбинированные методы воздействия на нефтяные пласты на основе электромагнитных эффектов» (Уфа, 2010г) М.А. Фатыхов, А.И. Худайбердина [88] отмечают, что среди всех теоретических видов электростатических, магнитных, высокочастотных и сверхвысокочастотных электромагнитных полей) высокочастотное и сверхвысокочастотное электромагнитное воздействие имеет ряд преимуществ. Во-первых, электромагнитные волны распространяются до затухания на дальнее расстояние вглубь объекта воздействия при прохождении их через токопроводящую среду. Речь может идти о различных процессах в термогидродинамике и манипуляции ими в глубине среды. Во-вторых, благодаря воздействию данными полями возникает диссипация энергии магнитного поля, которая провоцирует распределение источников давления, сил, тепла. Их плотности зависят от характеристик распространяющихся в среде электромагнитных волн и диэлектрических свойств пористой среды.

Подобрав необходимые параметры волны, возможно управление процессами взаимодействия электромагнитного поля со средой на расстоянии близком к длине электромагнитной волны.

эффективность совмещения электромагнитного воздействия с другими физическими и физико-химическими методами обработки пласта. На данный термогидродинамические процессы, протекающие в сплошных средах при условии взаимодействия с магнитными, электромагнитными, акустическими, тепловыми полями. Однако, известно, что некоторые комплексные технологии воздействия улучшают показатели фазовая проницаемости по нефти, ухудшенной за счет попадания глинизации или фильтрата бурового раствора, а также за счет иных факторов, которые негативно влияют на фильтрацию углеводородов в пласте. Многие виды комплексных сочетаний технологий можно применить при борьбе с гидратами, солями для добычи нефти из карбонатных коллекторов [90, 91].

М.А. Фатыховым и А.И. Худайбердиной проведен ряд исследований в области комбинированных способов электромагнитного воздействия высоких и сверхвысоких частот совместно с солянокислотной обработкой карбонатных пород. Результаты показали увеличение проницаемости пласта в электромагнитном поле высокой частоты [85]. Выведены уравнения, описывающие нагрев карбонатонасыщенного нефтяного пласта.

Также авторами монографии смоделирован и описан процесс воздействия электромагнитным полем высокой частоты на битумный коллектор при периодической закачке окислителя. Опытным путем выявлено, что при данной комплексной обработке возникает резкое повышение температуры. Обнаруженный эффект может быть использован для инициирования фронта горения в битумном пласте [68]. Испытания, внутрипластового горения возникает при сравнительно низких забойных температурах (от 393К до 423К). Благодаря данным испытаниям был разработан и описан метод извлечения нефти из битумных пластов за счет использования внутрипластового горения, инициированного в области распространения электромагнитных волн [35, 36].

Описание технологии. Обсадная колонна спускается до кровли продуктивного пласта, затем в скважину спускают насосно-компрессорные трубы с диэлектрическими шайбами. В роли излучателя энергии электромагнитных волн высоких частот выступает расположенная ниже обсадной колонны часть НКТ. Излучатель через скважину получает электромагнитную энергию от генератора (типа ЛД2-60М), расположенного на поверхности земли. При этом происходит прогрев призабойной части продуктивного пласта. Далее осуществляется постоянная закачка воздуха в пласт в течение недели, затем скважину останавливают на такой же срок для газирования и окисления нефти, получения упругих термических эффектов[93]. Отбор скважиной продукции осуществляется фонтанным способом. Главный недостаток описанной выше технологии заключается в том, что в процессе обработки высокочастотными электромагнитными полями не используется термоупругая энергия, возникающая при фильтрации окислителя и нагреве пласта, закачанный окислитель идет только на вытеснение битума.

Также есть ряд исследований по вытеснению высоковязких нефтей и битумов при помощи закачки в пласт смеси растворителей, так называемой бинарной системы, под воздействием электромагнитного поля высоких частот. Это позволяет ускорить процессы тепломассопереноса в обрабатываемом пласте, что приводит к повышению нефтеотдачи [51, 92].

Процессы вытеснения нефти различными жидкостями и композициями зависят от структуры порового пространства, физических и химических свойств растворителя, также они зависят от связей пористой среды и насыщающего флюида. Эти процессы протекают в области раздела жидкой и твердой фаз. Благодаря воздействию электрическим и магнитным полями, можно добиться контроля над движением межфазной поверхности в необходимом направлении, а также значительно увеличить скорость такого перемещения [33]. При движении межфазной поверхности с прилегающими слоями происходит интенсивное перемешивание жидкости в каждой фазе, что способствует ускорению процессов обмена.

Проведенные эксперименты приведенных выше ученых показали, что процесс фильтрации при вытеснении нефти из лабораторных образцов ускоряется в 3 раза под воздействием электромагнитного поля. Это говорит о том, что использование высокочастотного электромагнитного поля при вытеснении нефти растворителем может значительно увеличить коэффициент нефтеотдачи месторождения.

Также вышеупомянутыми авторами проводились эксперименты по совместному воздействию на пласт высокочастотным электромагнитным полем и акустическими волнами. В результате этих исследований были обнаружены возможные изменения таких параметров пористой среды как напряженность диэлектрического поля, диэлектрическая проницаемость.

Основные результаты экспериментальных исследований:

- температура и скорость распространения высокочастотного нагрева в зоне, охваченной акустическим воздействием, возрастают. Их изменение в среде увеличивается с ростом частоты и интенсивности акустического поля;

- глубина ВЧ нагрева при использовании акустического поля увеличивается на 5 – 10% [63];

Для проведения исследований использовался электромагнитноакустический излучатель. Устройство представляет собой несимметричный четвертьволновой электрический вибратор, совмещенный с акустическим преобразователем. Электрический вибратор состоит из нижнего конца верхней поверхности обсадной колонны и ее продолжения с отступом на 0,03м, короткозамкнутой при помощи поршня с выступающей за ней колонной НКТ. Продолжением НКТ является акустический преобразователь (внешний диаметр 0,134м), находящийся в жидкости (трансформаторное масло), заполняющий стальной стакан диаметром 0,15м и длиной 4,25м.

Акустический излучатель конструктивно совмещает две функции: действует как источник акустической энергии, служит конструктивным элементом электромагнитного излучателя. Описанная конструкция служит одним из устройств ввода ВЧ электромагнитной энергии в пласт через обсаженную скважину. Электрические колебания на акустический преобразователь подавались от ультразвукового генератора (УЗГ-2-4) с помощью кабеля типа КРБК-3х16, проходящего через колонну насосно-компрессорных труб.

Резонансная частота преобразователя 20кГц. Описанная система представляет собой устройство совместного ввода ВЧ электромагнитной и акустической энергии в пласт через обсаженную скважину.

В результате стендовых исследований, моделирующих реальную скважину, с использованием данной установки было выявлено увеличение эффективности использования ВЧ ЭМП за счет охвата нагрева пласта по его толщине акустическим воздействием, а также захвата обработкой выше и «Комбинированные методы воздействия на нефтяные пласты на основе электромагнитных эффектов» Уфа, 2010) Следует также сказать, что эффективность способа не очень высока и позволяет добиться лишь 2-3 кратного увеличения дебита скважины, добывающей высоковязкий углеводород. Но повышения эффективности можно добиться совмещая данный метод с другими физическими и физикохимическими методами воздействия. Результаты, полученные в ходе теоретических и опытно-промысловых исследований, описанных в данной использоваться на промысле.

В основу моих исследований положены результаты Кузнецова О.Л. способ добычи нефти, природного газа и газового конденсата путем электромагнитного резонансного вытеснения их из продуктивного пласта (патент № 2425962 от 2010г).

Предлагаемый способ заключается в увеличении эффекта резонансного повторяющихся пробегов пикового резонанса. Частоты, при этом, равны собственным частотам диполей. Пробеги происходят в замкнутой системе и направлены от нагнетательной скважины через пластовый коллектор к добывающей скважине [7,8]. Особое давление за счет прохождения через минерализованную воду переменного электрического тока получают именно те места коллектора, в которых содержатся углеводородные фракции, ограниченные пластовыми водами. Сильный эффект достигается за счет того, что частота тока резонирует с собственной частотой колебаний углеводородов, тем самым способствуя ретрансляции встречно направленных модулированных электромагнитных потоков по всей длине пласта [24, 25, 39].

На глубину зоны перфорации в добывающую скважину и в одну из ближайших к ней скважин (в том числе нагнетательную) погружаются резонансно-волновые генераторы. С их помощью в пласте создают направленные навстречу потоки электромагнитных колебаний, которые, в свою очередь, резонируют с собственной частотой колебаний молекул нефти, природного газа и газового конденсата. Размещенная на поверхности аппаратура позволяет в реальном времени формировать резонанс электромагнитных колебаний и управлять перемещением пикового резонанса повторяющимися пробегами в сторону добывающей скважины. После этого при помощи спущенных в скважину в нижнюю часть области перфорации электродов сквозь пластовую воду пропускают электрический ток частоты, резонирующей с частотой колебательных движений молекул углеводородов, находящихся в пласте. Модулированные встречно направленные потоки электромагнитных колебаний распространяются по всей длине пласта, обеспечивая эффективное резонансное вытеснение нефти из коллектора.

Результатами реализации описанной технологии являются:

увеличение дебита добывающей скважины;

ввод в эксплуатацию скважин, простаивающих долгое время изза ранее применяемых неэффективных технологий добычи;

вывод из консервации низконапорных газовых скважин;

освобождение углеводородов из ловушек и пленов, и повышение за счет этого коэффициента извлечения нефти (до 50 – увеличение подвижности нефти, за счет снижения вязкости;

повышение температуры нефти, снижение ее вязкости (крайне важное свойство при добычи высоковязких углеводородов);

снижение обводненности продукции скважины, благодаря первоочередному вытеснению из коллектора именно фракций уточнение геологической и геофизической информации о параметрах разрабатываемого объекта.

Способ интенсификации добычи нефти и реанимации простаивающих нефтяных скважин путем электромагнитного резонансного воздействия на продуктивный пласт (Кузнецов О.Л., Воловик А.М. и Гузь В.Г. патент № 2379489, опубликован 20.01.2010г) [43]. Способ заключается в создании встречных электромагнитных потоков от двух или нескольких соседних скважин. Данная технология также предполагает формирование потоков, резонирующих с частотами собственных колебаний молекул пластовых углеводородов, и осуществляется формированием электромагнитных волн, как с дневной поверхности, так и в области, расположенной напротив коллектора в зоне перфорации. Отличительной особенностью является то, что первоначальную точку формирования пикового резонанса в ходе встречного излучения определяют в области нагнетательной скважины, затем пиковый резонанс отслеживают с помощью обратной связи посредством расположенного на дневной поверхности генератора-приемника в режиме реального времени. После этого продолжают направленное излучение модулированных электромагнитных волн в управляемом режиме. На несущую частоту накладывают собственную частоту колебаний диполей углеводородного флюида так, чтобы мощность излучения, исходящего из области добывающей скважины существенно превосходила мощность встречного потока излучения, идущего навстречу из нагнетательной (либо другой близлежащей) скважины. Затем, управляя корректировками мощностей генераторов, в сторону добывающей скважины начинают продвигать пиковый резонанс повторяющимися пробегами, обеспечивая этим дополнительное принудительное вытеснение пластового флюида.

Несмотря на то, что данный способ осуществляется в режиме периодических пробегов пиковых значений резонанса от нагнетательной, или другой близлежащей скважины, к добывающей скважине, процесс затухания встречно направленных электромагнитных волн требует больших энергозатрат. Это является основным недостатком способа.

Кроме описанного выше способа есть еще несколько схожих по своим параметрам методов интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи. Следует отметить способ вторичной добычи нефти при помощи инициирования в ней окислительно-восстановительных реакций (патент № 2303692, С2; опубликован 27.07.2007г.) [67]с применением электрического тока. Способ предложен специалистами из американской компании «Электро-Петролеум, инк». Способ заключается в следующем: в первом и втором нефтеносных районов оборудуют по скважине, в каждую из которых погружают электроды, между ними создают разность напряжений при помощи подачи смещения переменной составляющей тока[29]. Амплитуду, при этом, подбирают таким образом, чтобы она обеспечивала образование в нефти окислительно-восстановительных реакций, которые способствуют распаду длинных цепей углеводородов на соединения с малой молекулярной массой. Все это приводит к гидрированию нефти.

При протекании электрического тока в пласте в реликтовой воде начинается процесс электролиза, в результате которого освобождаются активаторы, катализирующие реакции окисления и восстановления в нефти [50]. В результате этих реакций уменьшается вязкость нефти, увеличивается текучесть, нефть устремляется в добывающую скважину. Кроме повышения текучести данный способ катализирует электрохимические процессы, происходящие в нефти, что повышает качество нефти. Помимо этого, из пласта высвобождается водород и другие газы при прохождении в нем электрической энергии [65].

Способ осуществим с использованием переменного тока высоких напряжений и силы, а следовательно требует потребления большого количества электроэнергии, что существенно повышает расходы на использование технологии, что приводит к повышению себестоимости нефтепродукта.

«Индустриконтакт Инг О. Еллингсен Энд Ко.» был запатентован (патент SU № 1838594, A3; опубликован 30.08.1993г.) способ увеличения нефтеотдачи путем создания в нефтяном пласте вибраций с частотой, наиболее близкой к естественной частоте пласта[53]. В ходе исследований было обнаружено, что такое воздействие приводит к ослаблению сил между пластом и нефтью. Что бы реализовать этот метод, скважину предварительно необходимо заполнить металлической жидкостью (например ртутью). Электроды же размещаются в других двух соседних скважинах. Воздействие вибрациями на скелет породы производят совместно с обработкой его переменным электрическим током.

Создаваемые вибраторами колебания способствуют извлечению нефти из коллектора. Также происходит нагревание флюида из-за трения нефти и породы.

Самым главным и существенным недостатком этого способа является использование ртути, пары которой крайне ядовиты. Также, из-за вибраций скелета породы коллектора может происходить загрязнение поровых каналов механическими частицами, закупорка конгломератами асфальто-смолопарафинистых составляющих нефти и солями, облитерация [49].

1.2 Плазменно-импульсное воздействие на призабойную зону пласта Согласно классификации В.П.Дыбленко электромагнитное воздействие условно разделяют на 3 вида: низкочастотное (НЧ) – до 1 кГц, высокочастотное (ВЧ) – до 300 МГц, и сверхвысокочастотное (СВЧ) – выше 300 МГц (В.П.Дыбленко «Волновые методы воздействия на нефтяные пласты с трудноизвлекаемыми запасами» Обзор и классификация 2008 г). В группу электромагнитных методов воздействия на ПЗП также можно отнести импульсно-электрические методы[28]. Они основаны на инициировании в зоне продуктивного пласта импульсов электрического тока.

Реализация данной технологии выполняется следующим образом.

Часть технологических скважин после вскрытия пласта оборудуют электродами. При вскрытии пласта обсаженными скважинами, обсадная колонна служит в качестве второго электрода. От наземной аппаратуры к электродам проводят кабель. Используя информацию об изменениях параметров пласта, в ходе обработки производится корректировка электрического тока достигает 100 кВт. Электроимпульсная обработка пласта приводит к следующим изменениям среды: происходит увеличение капилляров, разглинизация, увеличение проницаемости, выделение газа.

Следствием этих процессов является снижение фазовой проницаемости по воде, стимуляция и ускорение электрокинетических явлений [65].

Метод можно эффективно применять на неоднородных пластах глинистых песчаников. Он способствует увеличению продуктивности добывающих и приемистости нагнетательных скважин.

Методы обработки высокочастотными и сверхвысокочастотными электромагнитными полями основаны на особенностях их взаимодействия с насыщенными пористыми средами. Основной особенностью ВЧэлектромагнитного воздействия на пласт является объемный прогрев породы [4]. При этом область зоны теплового воздействия мало зависит от фильтрационно-емкостных свойств пласта. С помощью изменения частоты и мощности можно подобрать необходимые показатели распределения температуры в пласте. В процессе обработки происходит направленный электромагнитного поля с флюидами, в следствие чего происходит снижение поверхностного натяжения в области раздела фаз, увеличивается скорость фильтрации вытесняющей среды [19, 20].

В 1996 году Н.И.Кошторевым и Ф.И.Алеевым запатентован «Способ разработки нефтяной залежи» (патент №2057911). [40] Сущность метода заключается в следующем: на полностью освободившейся залежи подбирают скважины по лучевой схеме. В центральную спускают отрицательный электрод на уровне подошвы продуктивного пласта. В радиально расположенных скважинах устанавливают положительно заряженные электроды в области кровли пласта. Путем подачи постоянного тока осуществляется воздействие на пласт. В результате происходит сегрегация, то есть продвижение частиц воды в нижнюю часть пласта к отрицательному электроду, а капель нефти к положительным электродам.

Контролировать процесс можно, периодически отключая одну из скважин и исследуя ее продукцию на содержание воды и нефти.

Повышение нефтеотдачи при помощи воздействия импульсами электрического тока на нефтяной пласт описывают сотрудники ООО «НПО «Волгахимэкспорт» Михаил Болдырев, Татьяна Лючевская, Олег Гуркин и Андрей Золин.[16] Еще в середине 70-х годов XX века был подтвержден эффект изменения структуры порового пространства пласта при прохождении через него электрических токов. Благодаря открытию этой особенности, российскими инженерами была разработана технология интенсификации добычи нефти. Сегодня доработкой и внедрением технологии электрической обработки пластов в нефтепромысловую практику активно занимается ООО «НПО «Волгахимэкспорт» (г. Самара). Технология успела положительно зарекомендовать себя в ходе экспериментов по импульсному электрическому воздействию на продуктивные пласты. Испытания проводились на свидетельствуют о перспективности технологии.

При прохождении импульсов электрического тока сквозь коллектор происходит высвобождение энергии в тонких капиллярах [47]. Существует определенное пороговое значение количества выделяемой энергии, при превышении которого происходят изменения структуры микронеоднородной среды, а также структур фильтрационных потоков. Высокая плотность выделения энергии в тонких капиллярах, превышая некое значение, приводит к разрушению цементирующего вещества. Измененная структура порового микронеоднородной среде. Отношение плотностей тока в последовательно соединенных капиллярах с радиусами r1 и r2, при прохождении через них электричества, пропорционально. В неоднородных средах, таких как горные породы, отношение (r2/r1) может составлять величину приблизительно равную и превышающую 103, что говорит о том, насколько велика степень неоднородности выделения энергии в среде. Проводимость тонких капилляров также напрямую зависит от высоких показателей плотности энерговыделения. Изменения проводимости может быть обусловлено повышением давления в капиллярах. Комбинация механизмов, происходящих в процессе электрической обработки пласта, и приводит к увеличению нефтеотдачи. Среди них – разрушение кольматанта призабойной зоны пласта в нефтяных скважинах [58], поверхностного натяжения на границе раздела фаз [26].

В настоящее время существует два вида установок, способных осуществлять представленную технологию. Установки отличаются выходными параметрами, а также способами получения электрической энергии и образования импульсов тока. Первая установка требует для работы расположенной вблизи скважины линии электропередач с напряжением в 6кВ или 10кВ. Вторая установка имеет собственный дизельный генератор, что позволяет ей работать автономно и существенно расширяет область ее применения. Кроме того, существенным отличием установки второго типа является примененная особая схема образования импульсов электрического тока. В ней использован конденсаторный модуль для накопления энергии, благодаря которому, можно добиться высокой амплитуды и мощности импульсов электрического тока. Данная установка является инновационной разработкой компании «Волгахимэкспорт» в области электрической обработки пластов с целью повышения нефтеотдачи. Устройство запатентовано (патенты №36856, №36857)[14,15]. Кроме того, поданы заявки на патенты по описанному способу интенсификации добычи нефти и устройству для его осуществления.

Далее описывается автономный комплекс, включающий установку второго типа. Используемый комплекс, включает в себя высоковольтную установку, расположенную на базе автомобиля ЗИЛ-131, генераторную установку на базе автомобиля ГАЗ-66, служебное помещение для отдыха персонала. Высоковольтная установка содержит следующие функциональные блоки:

— блок конденсаторов;

— тиристорный блок;

— блок управления высоковольтным выпрямителем;

— трансформатор;

— лаборатория, в которую входит панель кросс-визуального контроля и автоматики параметров, персональный компьютер.

Основные параметры осуществления технологического процесса. В настоящее время для реализации технологии существует несколько схем подключения комплекса к скважинам. Однако, на практике в основном применяется схема подключения к двум скважинам (к колонным головкам).

На сегодняшний день в разработке находится схема подключения одной скважины к колонной головке с использованием очага заземления.

эксплуатационная колонна обрабатываемой скважины. При подключении к устью требуется остановка скважины и ее полное отключение от наземного оборудования. Когда все работы по подготовке скважины выполнены, к устьевым тумбам присоединяется высоковольтный кабель и начинается воздействие импульсами электрического тока. Для подготовки скважины при обработке по схеме подключения с использованием очага заземления, в его качестве используются 50 металлических стержней, углубляемых в землю. В данном случае именно они играют роль второго электрода. Очаг заземления должен быть удален минимум на 400м. Чтобы уменьшить электрическое сопротивление заземления, зона расположения металлических стержней заливается солевым раствором. Для получения необходимого результата одна обработка должна продолжаться от 20 до 30 часов.

Область применения технологии распространяется на карбонатные и терригенные коллекторы с глубиной залегания до 2000м (для первого типа установки) и до 3000м (для второго типа). Обработку рекомендуется производить на скважинах с обводненностью 40 – 85% и дебитом по неоднородными пластами с чередованием участков высокой и пониженной пористости.

По результатам накопленного опыта прирост дебита по нефти после обработки составляет от 0,5 до 13 т/сут (в зависимости от текущего дебита и обводненности, а также конкретных геолого-геофизических характеристик).

Обводненность продукции, при этом, снижается на 10-30%.

Следует так же отметить способ импульсного и ионно-плазменного воздействия на нефтяной пласт (патент номер 2213860, авторы Браганчук Алексей Михайлович, Исаев М.К., Исхаков И.А., Касимов Р.Г.) [17].

необходимого эффекта, сквозь минерализованную воду плотностью 1,12г/см и выше, закачиваемую в скважину, пропускают постоянный электрический ток с напряжением от 90В до 300В и плотностью до 1А/см2. Каждые 25мин на пласт воздействуют импульсами электрических разрядов в количестве 3-5 разрядов, следующих друг за другом. Разряды инициируются в специальной камере между электродом-анодом и электродом-катодом ионно-плазменного генератора. Техника такого воздействия обеспечивает создание репрессионно-депрессионного режима. Продолжительность одного разряда достигает 100 мкс, а энергия превышает 100 Дж при значении скважности не превышающем 5. Скважину непрерывно промывают минерализованной водой. Воздействие импульсами производится без остановки ионно-плазменного процесса. После окончания импульсной обработки затрубное пространство открывают и начинают прокачку минерализованной воды, чтобы удалить с забоя скважины продукты разложения и расплавленные частицы. Кроме того, за счет дополнительного воздействия на ПЗП импульсами электрических разрядов, происходит интенсификация добычи нефти.

Основным элементом комплекса плазменно-импульсного воздействия является ионно-плазменный генератор, который состоит из двух камер.

Генератор включает в себя разрядную камеру, состоящую из электрода, выполняющего функцию анода, и катода, в качестве которого выступает корпус камеры. Генератор устанавливается в нижней части насоснокомпрессорных труб в области перфорации обсадной колонны. Наземный источник электрического питания минусовой фазой с помощью обсадной колонны скважины соединяется с корпусом ионно-плазменного генератора.

Плюсовая фаза соединяется с электродом, расположенным внутри разрядной камеры, при помощи электрического кабеля. Затем через насоснокомпрессорные трубы в скважину поступает минерализованная вода (плотность не менее 1,12мг/см3). Далее через разрядную камеру ионноплазменного генератора поступает электрический ток 90В-300В напряжения, плотностью от 0,1 А/см2 до 10 А/см2. При прохождении электрического тока в скважине начинаются ионно-плазменные и химические процессы, вследствие этого на катоде, в роли которого выступает обсадная колонная, начинает выделяться водород, а так же образуется щелочь, которая способствует снижению поверхностного натяжения пленки нефти и растворению различных отложений в призабойной зоне нефтесодержащего пласта. В зоне реакции внутри разрядной камеры ионно-плазменного генератора происходит быстрый разогрев смеси из-за того, что парофазовая оболочка, образующаяся на электроде камеры, способствует инициации горения плазмы. Все это приводит к тому, что вокруг анода ионноплазменной камеры выделяется активный кислород, образующий кислую среду.

Под действием повышенного температурного фронта нефтебитумы смягчаются, пробки остаточной нефти разлагаются, а минеральные конгломерации соединений Ca, Mg, Na и др. (СаСО3, MgCl2, Na2SO4) растворяются под действием кислой среды. Положительная роль выделяемого на аноде активного кислорода заключается в том, что он окисляет пластовые углеводороды до углекислого газа, который также способствует удалению пробок в призабойной зоне и нефтяном пласте, вследствие резкого локального повышения давления. Кроме того, кислород способен окислять сернистые соединения, при наличии их в нефтяном пласте, до оксидов серы, уменьшая тем самым ее количество в добываемой нефти [41, 94].

наблюдается повышение давления, эффект обработки усиливается за счет быстрому распространению кислой и щелочной сред из области плазменного воздействия в глубь пласта.

Работа генератора в ионно-плазменном режиме продолжается в течение 25-30 минут, затем при помощи блока управления генератором, расположенного на поверхности, генератор переводится в импульсный электроразрядов непрерывно следующих друг за другом импульсов длительностью 100мкс каждый. За один раз производится от 3 до импульсов (энергия 100Дж). Результатом импульсного разряда является резкое повышение давления в разрядной камере. Фронт давления распространяется вглубь нефтяного пласта. Под действием ударного фронта давления из области перфорации в коллектор переносятся продукты ионноплазменной обработки. После того, как ударная волна достигает границы раздела сред, она отражается от нее и возвращаясь к обсадной колонне выносит с собой продукты разложения и плавления. Следует отметить, что частота и количество импульсов подбираются по значениям мощности, давления пласта, а так же необходимого радиуса воздействия.

Как только импульсная обработка окончена, открывается затрубная задвижка, и с помощью прокачки минерализованной водой с забоя скважины на поверхность выносятся продукты разложения.

Кроме ионно-плазменных, температурных, электрохимических процессов, происходящих в призабойной зоне нефтяного пласта, в результате данной комбинированной обработки, дополнительно создается, так называемый, репрессионно-депрессионный режим. Этот режим характеризуется изменением давления, его перераспределением относительно пласта и забоя скважины, что приводит к раскольматации ПЗП и дополнительному притоку нефти в скважину [56].

1.3 Электрическое воздействие на нефтяные пласты Среди технологий электрофизического воздействия на нефтяные пласты, которые включают в себя плазменные, лазерные, электроэрозионные, электронные, ультразвуковые и комбинированные методы, следует отметить электрогидравлическое воздействие. Электрогидравлические технологии осуществляются благодаря эффекту Юткина [98,99], который представляет собой совокупность явлений, происходящих при импульсном разряде высокого напряжения в жидкой среде (зачастую в воде). При прохождении в водной среде импульсного высоковольтного разряда происходит мощное электромагнитное излучение, формирование волн звуковых и ультразвуковых диапазонов частот, импульсов давления, достигающего, при определенных условиях, несколько десятков тысяч атмосфер, сильных гидравлических потоков, сопровождающихся кавитацией.

Высоковольтный разряд в воде сопровождается возникновением плазменного канала, температура в котором достигает 30 тысяч 0С. Канал имеет небольшую площадь сечения. В нем происходит быстрый локальный разогрев жидкой среды, конденсация энергии разогретого до высоких температур ионизированного газа и паров, которые могут совершать работу.

Быстро расширяясь, разрядный канал, представляющий собой парогазовую полость [86], порождает вокруг себя в жидкости импульсное давление и волны жидкости. Скорость увеличения объема канала может быть выше скорости, с которой звук распространяется в жидкой среде, благодаря этому, формируется фронт ударной волны. Когда давление потока расходящейся жидкости спустится ниже давления окружающей среды, расширение парогазового канала остановится. Далее происходит возвратное движение потока жидкости, в момент, когда полость канала захлопывается, в ней вновь резко повышается давление газа. Этот процесс повторяется многократно, постепенно затухая с каждым циклом. Подытожив описанные процессы, можно привести следующую последовательность протекания гидравлического удара:

формирование канала разряда;

выделение энергии в канале разряда;

излучение волн широкого диапазона частот (время до 10 -5 с, давление ударного фронта превышает 10 000атм);

расхождение потока жидкости в стороны от парогазового канала;

пульсация полости канала, сопровождающаяся образованием кавитационных разрывов (так называемых, каверн) и кавитационного потока.

Таким образом, при осуществлении электрогидравливеского удара, полезными могут быть следующие механизмы воздействия на обрабатываемый объект:

волны широкого диапазона частот;

формирование гидропотока;

Главными достоинствами электрогидравлических технологий являются:

преобразование электрической энергии в механическую с КПД до 80%;

необходимая энергия может быть просто локализована в заданной точке;

данным процессов можно легко управлять, изменяя параметры разряда при помощи смены рабочего напряжения и изменения емкостей батареи конденсаторов;

обладают характеристиками импульсного воздействия;

С помощью электрогидравлического эффекта можно совершать как мощные крупномасштабные воздействия (например, штамповка стальных деталей), так и точечное локальное воздействие (безопасное разрушение почечных камней при помощи специальных установок).

Эти отличительные достоинства позволяют электрогидравлическим технологиям эффективно решать задачи, трудновыполнимые стандартными методами. На сегодняшний день данные технологии применяются в строительстве, в медицине, при разработке полезных ископаемых, в горном деле, в сельском хозяйстве и мелиорации, в машиностроении, в ремонте техники и гидрометаллургическом производстве.

Описанный выше эффект нашел применение в нефтегазодобывающей отрасли. В.И.Лунев, М.С.Паровинчак и В.М.Зыков предложили электрогидроударное устройство для, так называемой, активации нефтегазоносного пласта и способ его питания атмосферной электроэнергией (патент №2208142) [46].

Предложенное устройство включает в себя воздушный и жидкостный разрядники. Один из электродов соединен с обсадной колонной, другой электрод воздушного разрядника соединен с воздушным электропроводящим каналом. Поверхность эксплуатационной колонны изолирована внутренним и внешним электроизоляционным покрытием.

Второй элемент установки – это жидкостный разрядник, состоящий из пары электродов. Отрицательный электрод, представляющий собой металлический стержень, закрепленный на изоляторах фильтра, заземлен, а положительным электродом является сам фильтр.

Питание электрическим током и обеспечение работы описываемой электрогидроударной установки осуществляется при помощи атмосферной энергии. Для этого в нижнем слое атмосферы над скважиной с помощью металлического проводника, который поднимается и удерживается в приземном слое атмосферы, создают электропроводящий канал. В качестве альтернативы может служить канал, формируемый лазерным лучом или пучком направленных заряженных частиц. С помощью созданного канала производится улавливание и перенаправление электрических зарядов из атмосферы на воздушный разрядник. На разряднике формируются импульсный ток высокого напряжения, который по обсадной колонне поступает на установку в жидкостный разрядник. Затем в разряднике происходит электрический пробой жидкой фазы между фильтром и стержнем. При этом моментально образуется сильнейшая гидравлическая волна, которая оказывает мощное динамическое воздействие на призабойную область продуктивного пласта. Данное изобретение характеризуется простой конструкцией электрогидроударной установки, а также позволяет использовать атмосферное электричество для обработки нефтесодержащего пласта, что позволяет отнести предложенную технологию к числу энергоэффективных разработок.

Похожий способ использования электрической энергии молний нашли ученые Митюшин А.И., Кадет В.В. (Россия), Батырбаев М.Д. (Казахстан). В описании патента №2256072 (патентообладатель Васнева Галина Ивановна).

Авторами рассмотрена возможность использования импульса разряда молнии для воздействия на продуктивный пласт с целью интенсификации добычи углеводородов [48].

Для получения грозового разряда напряженность электрического поля над обрабатываемой скважиной должна быть не менее 30 кВ/м, что бы лидерный канал молнии мог сформироваться. Что бы исключить коронные разряды, авторы предлагают использовать для приема энергии молнии металлический стержень (так называемую, мачту), верхний конец которого представляет собой сферическую гладкую поверхность. В альтернативном случае используют гладкую проволоку, подсоединенную так, чтобы ее конец возможно было доставить навстречу грозовому облаку. Этот стержень непосредственно крепится к обсадной колонне скважины. Как только между облаком и приемником инициируется разряд молнии, поток электрической энергии, проходя по трубам обсадной колонны, устремляется в зону продуктивного пласта и растекается по нему.

Ниже представлено схематическое изображение предлагаемого учеными способа (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Схема обработки продуктивного пласта атмосферной Составные части комплекса для интенсификации нефтедобычи: 1 – измерительный блок, 2 – приемник электроэнергии, 3 – обсадная колонна скважины, связанная с приемником электроэнергии, 4 – горная порода, 5 – цементный камень, 6 – насосно-компрессорные трубы, 7 – затрубное пространство, 8 – металлическая мачта для инициирования грозового разряда, 9 – металлический элемент сферической формы для предотвращения коронирования.

Что бы увеличить вероятность попадания разряда молнии в металлическую мачту, приемник электроэнергии (2) изготавливают из гладкой металлической проволоки (10). Нижний конец проволоки подключен к выходу приемника (2), верхний конец подключен к воздушному шару (на чертеже не показан), который может поднимать проволоку в вертикальное положение. Альтернативой может быть небольшая ракета, которая поднимет конец проволоки на дистанцию до 300 метров навстречу грозовому облаку (17). Измерительный блок оснащается прибором для измерения напряженности электрического поля на расстоянии, а также устройством для контроля времени и электрических параметров грозового разряда.

Для повышения вероятности грозового разряда в данной технологии предлагается использовать лазерный блок (12), исходящий луч которого проходит в верхней области (13) над металлическим элементом (9) приемника атмосферной электроэнергии. Лазерный луч от блока (12), оснащенного длиннофокусной оптикой, проходит в верхней части металлической мачты в области сферического элемента. Это приводит к ионизации воздуха в области прохождения лазерного луча. Грозовой разряд (14), проходя через металлическую мачту и обсадную колонну, попадает в продуктивный пласт (16) через интервал перфорации.

нефтедобывающей промышленности, в частности может быть использовано для интенсификации скважинной добычи углеводородного сырья при помощи электрического воздействия на продуктивный коллектор, используя атмосферную энергию.

Технический результат достигается тем, что в способе интенсификации добычи углеводородов, включающем формирование электрической энергии для импульсного воздействия на продуктивный пласт, осуществление электрического воздействия с контролем электрических параметров, согласно изобретению формирование электрической энергии для импульсного воздействия на продуктивный пласт осуществляют из энергии атмосферного электричества путем использования разряда молнии, кроме того, использование энергии атмосферного электричества при воздействии на продуктивный пласт начинают с инициирования грозового разряда, которое осуществляют при достижении напряженности электрического поля над скважиной величины не менее 30 кВ/м, а инициирование грозового разряда осуществляют путем приближения к грозовому облаку приемника электрической энергии, электрически связанного с обсадной колонной скважины, а также инициирование грозового разряда осуществляют путем ионизирования воздуха в области верхней части приемника электрической энергии.

Технический результат по второму изобретению достигается тем, что устройство для интенсификации добычи углеводородов содержит блок измерения и приемник электрической энергии атмосферного электричества, выход которого электрически связан с обсадной колонной скважины, кроме того, для инициирования грозового разряда приемник электрической энергии атмосферного электричества выполнен в виде металлической мачты, на верхнем конце которой расположен металлический элемент сферической формы с гладкой внешней поверхностью для исключения коронирования, а нижний конец металлической мачты является выходом приемника, а также для инициирования грозового разряда приемник электрической энергии выполнен в виде гладкой металлической проволоки, нижний конец которой является выходом приемника, а верхний конец механически связан с вертикальное положение. Помимо этого для инициирования грозового разряда приемник электрической энергии выполнен в виде гладкой металлической проволоки, нижний конец которой является выходом приемника, а верхний конец - механически связан с корпусом малой ракеты, способной поднять его навстречу грозовому облаку на высоту не менее 300м.

напряженности электрического поля и прибор для измерения временных и электрических характеристик грозового разряда. Кроме того, для инициирования грозового разряда дополнительно введен лазерный блок, луч которого направлен в верхнюю область пространства над металлическим элементом сферической формы приемника электрической энергии, согласно изобретению высота металлической мачты преимущественно равна 30 м, а металлический элемент имеет форму шарового насада с диаметром не менее 20 см.

Среди недостатков способа необходимо отметить возможность инициализации грозового разряда необходимо применение дополнительных мер по его возбуждению. В одном из таких способов авторы предлагают использовать небольшую ракету, соединенную с мачтой проволокой.

Поднимаясь на высоту около 300м в сторону грозового облака, ракета провоцирует разряд молнии на себя. Энергия разряда с помощью проволоки поступает на мачту, далее по обсадной колонне спускается в продуктивный пласт.

Ракета, несущая за собой заземленную через мачту 8 тонкую проволоку 10, с большей вероятностью возбуждает молнию при подъеме на высоту, чем стационарно стоящая металлическая мачта 8. Это обусловлено тем, что около быстро движущейся ракеты 11 не успевает накапливаться заряд короны. Использование запуска малой ракеты с прикрепленной заземленной металлической тонкой проволокой 10 гарантирует возбуждение молнии в 60-70% случаев.

Второй способ инициирования грозового разряда заключается в ионизации воздуха в верхней части мачты с помощью импульсного лазера.

Излучение лазера 12 фокусируется с помощью длиннофокусной оптики в верхней части приемной мачты 8. В качестве лазеров можно использовать лазеры с излучением света с длинной волны равной 248 нм и мощностью импульса порядка 1 ГВт. Ионизацию воздуха можно осуществить короткими и мощными импульсами ультрафиолетового излучения. К нему добавляется импульсное излучение другого лазера с большей длиной волны. Благодаря такому сочетанию излучение лазеров тратится только на ионизацию и, следовательно, можно использовать лазеры с меньшей мощностью излучения. Благодаря действию лазерных излучений разной длины волны в верхней части приемной мачты 8 образуется ионизированная область воздуха, которая является началом лидерного разряда.

Далее в забойной части продуктивного грунта образуется объемный заряд, который является источником неоднородного электрического поля в продуктивном пласте. Благодаря большей электропроводности первого пространства, заполненного флюидом, чем скелета пласта, объемный заряд растекается по пласту. Неоднородное электрическое поле и растекание электрокинетические явления (см. Тихомолова К.П. Электроосмос. -Л.:

Химия 1989. - 248 с.), которые приводят к положительному эффекту повышению дебита, уменьшению обводненности продукции, увеличению нефтеотдачи продуктивного пласта [89].

Таким образом, использование энергии атмосферного электричества в технологиями обладает существенными преимуществами:

- используется дармовая возобновляемая энергия атмосферного электричества, - относительная простота реализации способа электровоздействия на продуктивный пласт, - возможность получения огромного количества энергии в течение малого времени, - импульсное электровоздействие на продуктивный пласт является наиболее эффективным, поэтому естественный импульсный характер грозового разряда исключает необходимость использования специальной аппаратуры для получения импульсного тока большой мощности, что также приводит к значительному упрощению способа электровоздействия на продуктивный пласт, использование дизельных электрогенераторов, линий электропередач, различных преобразователей электрической энергии, что позволяет труднодоступных промысловых районах, - использование большой энергии атмосферного электричества продлевает действие положительного эффекта, что позволяет увеличить продуктивный пласт.

К перспективным видам электромагнитного воздействия на пласт также можно отнести использование магнитной жидкости [22]. Нанохимия магнитных материалов - одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки, которое в последние годы привлекает все большее внимание исследователей из различных областей химии, физики, биологии и медицины [9, 10].

ферромагнитные жидкости (МЖ). Многолетний повышенный интерес к МЖ со стороны теоретиков и экспериментаторов, перспектива их широкого использования привели к тому, что к настоящему времени наука о магнитных жидкостях стала самостоятельной, чрезвычайно интересной и практически полезной областью исследований, находящейся на стыке физической химии коллоидов, физики магнитных явлений и магнитной гидродинамики. По мере изучения всего многообразия физико-химических свойств магнитных жидкостей и поведения МЖ при изменении внешних факторов спектр их практического применения в различных областях науки и техники расширяется, а потребность в стабильных магнитных жидкостях вс больше возрастает.

Ферромагнитная жидкость (ФМЖ, магнитная жидкость, феррофлюид) (от латинского ferrum – железо) представляет собой коллоидный раствор, состоящий из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. В качестве магнитной фазы в них используют частицы магнетита Fe3O4 или ферриты.

Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил. Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» изза высокой магнитной восприимчивости.

Свойства магнитной жидкости определяются совокупностью характеристик входящих в нее компонентов (твердой фазы, жидкостиносителя и стабилизатора), варьируя которыми можно в довольно широких пределах изменять физико-химические параметры МЖ в зависимости от конкретных условий их применения. Это позволяет отнести магнитные жидкости к так называемым «умным» материалам.

сочетается в них с высокой намагниченностью – в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в жидкий углеводород, внедряется огромное количество мелких сферических частиц, которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения.

Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц, что приводит к изменению магнитных, оптических и реологических свойств раствора. Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять поведением магнитных жидкостей и использовать их в прикладных задачах. Каждая магнитная частица в магнитной жидкости покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости.

Поэтому, в отличие от обычных суспензий, частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно и могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и, в конце концов, частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле. Также ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри, которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости [13].

восприимчивость – достаточно маленького стержневого магнита, чтобы на поверхности жидкости с парамагнитными свойствами возникла регулярная структура из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле». Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Чем сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность.

выраженную чрную окраску в объме, благодаря присутствию в них в качестве высокодисперсной магнитной фазы магнетита. Однако известны магнитные жидкости, в которых магнитная высокодисперсная фаза может быть представлена частицами другого происхождения (гамма-оксида железа, ферритов марганца, кобальта, цинка и никеля). В этом случае МЖ могут иметь окраску от тмно-коричневой до оранжево-жлтой, а при соблюдении некоторых особых условий их синтеза удатся получить магнитные высокодисперсные системы очень широкого спектра цветов и оттенков.

Добавление в магнитные коллоидные системы некоторых специальных красителей позволяет изменить окраску МЖ, что нашло широкое применение в печатной промышленности при создании магнитных красок и чернил.

В настоящее время магнитные жидкости возможно применять в качестве магнитных смазок (снижает трение на 20% эффективнее), NASA проводило эксперименты по использованию ферромагнитной жидкости в замкнутом кольце как основу для систем стабилизации космического корабля в пространстве. Существуют печатающие и чертежные устройства, работающие на магнитной жидкости. Также магнитная жидкость может быть использована для ликвидации аварийных разливов нефти с поверхности водоемов.

Существует перспектива применения магнитной жидкости в роли вытесняющего агента в нефтедобыче. Создавая электромагнитное поле в продуктивном пласте, можно управлять движением ферромагнитной жидкости [11,12].

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

1. Проанализирована проблема добычи трудноизвлекаемых запасов и выявлена технология для увеличения нефтеотдачи, а именно воздействие физическими полями (электрическим током).

2. Существующие методы воздействия на продуктивные нефтяные пласты при помощи электрической энергии можно разделить на три группы:

а) электромагнитное воздействие;

б) плазменно-импульсное воздействие на призабойную зону пласта;

в) электрическое воздействие;

3. В ходе анализа предыдущего опыта среди всех видов электрического воздействия электромагнитная обработка выделена, как наиболее эффективная, так как характеризуется глубоким проникновением в коллектор и неразрушающим действием на породу пласта.

РАЗДЕЛ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА ФИЗИЧЕСКУЮ МОДЕЛЬ КЕРНА

В предыдущей части были рассмотрены существующие методы электрического и электромагнитного воздействия на продуктивные пласты, а также их совместное применение с другими методами увеличения нефтеотдачи и интенсификации притока. Исходя из проанализированной информации, можно сделать вывод, что данное направление весьма перспективно и требует дополнительного изучения и проведения новых исследований. Основными преимуществами использования электрического воздействия являются, во-первых, комплексное изменение характеристик коллектора и насыщающих флюидов, во-вторых, электромагнитная обработка не оказывает прямого разрушающего действия на породу[5,6].

2.1 Описание лабораторной установки, генерирующей 2.1.1 Расчет параметров лабораторной установки Электромагнитные волны оказывают влияние на нефтесодержащий пласт для определения конкретных показателей необходимо проведение экспериментов, которые смогут выявить качественные и количественные зависимости: повышение коэффициента вытеснения, коэффициента подвижности, снижение критического градиента давления начала фильтрации.

С данной целью была собрана лабораторная установка, состоящая из электротехнической и гидродинамической части. Установка позволяет проводить эксперименты по электромагнитному воздействию на физическую модель керна. В основе установки лежит резонансный трансформатор переменного электрического тока [52]. От обычных трансформаторов он отличается тем, что в конструкции отсутствует ферромагнитный сердечник.

Это позволяет многократно снижать взаимоиндукцию между двумя катушками.

Установка состоит из первичной катушки, которая вместе с конденсатором, образует первичный колебательный контур, и вторичной катушки, имеющей на выходе напряжение в сотни тысяч вольт. Благодаря включенному в цепь элементу, так называемому, разряднику, замыкается колебательный контур, состоящий из первичной катушки и блока конденсаторов, тем самым, блок питания, состоящий из повышающих трансформаторов, становится отключенным от контура, в котором в это время происходят высокочастотные колебания.

Система работает в импульсном режиме, состоящем из двух фаз. В первую очередь происходит заряд конденсатора (в данном случае батареи конденсаторов) до определенного напряжения, необходимого на пробой воздушного пространства между контактами разрядника, параллельно включенного в цепь. Заряд конденсатора осуществляется при помощи внешнего источника питания повышенного напряжения, собранного, в данной установке, из повышающих трансформаторов.

После исключения из контура источника питания, в нем (первичном контуре) инициируются затухающие высокочастотные колебания. При подборе всех параметров эти колебания должны совпасть с колебаниями во вторичном контуре, образуемом вторичной катушкой (и ее собственной емкостью), в которой также начинаются электромагнитные колебания вследствие индукции напряжения. Когда контуры входят в резонанс, амплитуда во вторичной катушке многократно умножается, и трансформатор генерирует высокое напряжение на выходе. Данный процесс можно рассматривать в качестве второй фазы работы системы.

Рассчитываем индуктивность катушки первичного колебательного контура [100] по формуле где di – диаметр катушки (см); n – число витков; li – длина катушки (см);

L=[мкГн]; как видно из формулы, изменяя количество подключаемых витков, можно менять индуктивность катушки.

Необходимая емкость конденсатора первичного колебательного контура находится по формуле Для подсчета собственной емкости вторичной катушки воспользуемся формулой где d – диаметр катушки (см); l – длина намотки (см).

Расчетная резонансная частота колебаний где L – индуктивность катушки (мкГн), C – емкость катушки (пФ).

Расчет установки производился согласно равенству где и – частоты первичного и вторичного колебательных контуров соответственно (кГц). Добиться высокого напряжения возможно только при максимально возможном совпадении резонансных частот первичной и вторичной катушек [78].

Для первичной катушки использована медная трубка диаметром 10 мм, полая внутри. Расстояние между витками 2,19 см, общая высота обмотки 26, см, диаметр – 13 см.

По формуле 2.1 находим индуктивности катушек Для расчета собственной емкости вторичной катушки воспользуемся формулой (2.3) конденсаторов С1 для первичного колебательного контура по формуле (2.3) Расчет частоты катушки производим по формуле (2.4) Таблица 2.1 – Параметры колебательных контуров резонансного 2.1.2. Описание принципов работы электротехнической части Для создания данной установки были использованы следующие элементы:

1.Повышающие трансформаторы GAL-700E/4 – 4 шт. Особенностью данного трансформатора является сердечник, который работает в режиме, близком к насыщению (рис. 2.1). Напряжение входное – 220 В, напряжение на выходе – 2000 В, мощность 2200 Вт, рабочая частота 50 Гц, сила тока мА. Габаритные размеры 105х67х88 мм. Трансформаторы служат основным источником повышенного напряжения, без которого невозможно добиться высоких показателей работы всей системы. При последовательном, синфазном подключении вторичных обмоток, напряжение находится как сумма напряжений каждой обмотки Таким образом, вторичные обмотки, подключенные последовательно, позволяют генерировать напряжение в 8000 В. Мощность определяется таким же образом Отсюда, мощность равняется 8800 Вт.

Для того чтобы избежать перегрева трансформаторов и исключить электрические пробои между обмотками, они были помещены в пластиковый контейнер, заполненный моторным маслом.

Рисунок 2.1 – Повышающий микроволновый трансформатор GALE/ 2. Высоковольтные конденсаторы (4 шт) марки H.V.CAPACITOR (рисунок 2.2), модель CH-85\21095, номинальное напряжение 2100 В, емкость 0,95 мкФ. Размеры одного конденсатора 75х53х33 мм. Данные конденсаторы служат в роли балласта. Когда замыкается первичный колебательный контур (в момент пробоя на разряднике), конденсаторы, подключенные последовательно, ограничивают ток трансформаторов.

Рисунок 2.2 – Высоковольтный конденсатор H.V.Capacitor 3. Высоковольтные конденсаторы К-75-25, емкостью 10 000 пФ ± 5%, номинальное напряжение 10 кВ (рисунок 2.3), Сопротивление изоляции между выводами – 50 000 МОм. Габаритные размеры 65х45х54 мм, вес – 0, кг. В установке использована батарея из 2-ух конденсаторов, соединенных последовательно на общую емкость – 5 000 пФ, напряжение – 20 кВ.

Рисунок 2.3 – Высоковольтный конденсатор К-75- 4. Фильтры высоких частот (рисунок 2.4). Представляют собой две катушки медного провода диаметром 0,75 мм, намотанного на трубу из полипропилена. Габаритные размеры каждой трубки: длина 37 см, диаметр см. Число витков – 300.

Рисунок 2.4 – Фильтры высоких частот высокочастотных выбросов во время замыкания первичного колебательного контура.

5. Динамический разрядник (искровик, рисунок 2.5) состоит из металлической пластины круглой формы диаметром 90 мм, с 4-мя равноудаленными от центра и друг от друга болтами, вмонтированными перпендикулярно ее плоскости. Расстояние от центра до болта 80 мм.

Пластина подключена к приводу системы охлаждения блока питания персонального компьютера (FSP Group ATX-400PNF, мощностью 400 Вт, (рисунок 2.6). Размеры блока 140х144х80 мм. Блок питания включается в электрическую сеть отдельно от силовой части установки.

Рисунок 2.5 – Динамический разрядник Рисунок 2.6 – FSP Group ATX-400PNF 6. Первичная и вторичная катушки резонансного трансформатора (рисунок 2.7). Первичная катушка: диаметр – 13 см, высота – 26 см, количество витков – 10, полая медная трубка диаметром 10 мм.

Вторичная катушка: 803 витка медной проволоки (диаметр 0,6 мм), намотанной на трубку ПВХ длиной 48 см, диаметром 5 см. Витки плотно прижаты друг к другу и изолированы эпоксидной смолой, для исключения электрического пробоя.

Путем переключения количества витков первичной катушки можно изменять ее индуктивность, и, следовательно, параметры электромагнитного воздействия.

Рисунок 2.7 – Катушки резонансного трансформатора 7. Однофазный счетчик электрической энергии СО-505 (рисунок 2.8).

Служит для оценки количества потребляемой электроэнергии на обработку образца коллектора. Класс точности – 2.0, номинальное напряжение – 220 В, номинальная частота питающей сети – 50 Гц, номинальный ток – 10 А, максимальный ток – 40 А, ток перегрузки – 48 А, размеры 208х135х114 мм.

Рисунок 2.8 – Счетчик СО- 8. Модульные автоматические выключатели Sentai C-65 – 2 шт. Частота 50 – 60 Гц, максимальное напряжение 415 В, номинальный ток 25 А, отключающая способность 4,5 кА (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Автоматический выключатель Sentai 9. Цифровой амперметр Digitop АМ-2 DIN (рисунок 2.10). Рабочая частота 50 – 60 Гц, диапазон измеряемой силы тока 0 – 50 А, максимальный ток перегрузки 80 А, питание 120 – 300 В. Позволяет регистрировать силу, потребляемого из электросети тока.

Рис. 2.10 – Цифровой амперметр Digitop АМ-2 DIN 10. Провода. В конструкции установки были использованы медные провода диаметром 2,5 мм.

На рисунке 2.11 изображена схема собранной установки, а на рисунке 2.12 показан принцип ее работы. Цепь последовательно соединенных повышающих трансформаторов (2) используется для зарядки конденсаторов.

Несмотря на малые размеры используемые трансформаторы имеют мощность до 1,5 кВт. Но к недостаткам относятся высокие показатели силы тока холостого хода (2 – 4 А) и сильный нагрев при работе.

Для предотвращения перегрева, а также для устранения возможных пробоев между обмотками трансформаторов они помещены в пластиковую емкость и залиты техническим маслом. После них в цепь последовательно подключены высоковольтные конденсаторы (3), которые являются дросселем и мешают течь току от трансформаторов в период, когда замыкается первичный колебательный контур.

Рисунок 2.11 – Схема подключения элементов установки:

1 – источник переменного тока, 2 – повышающий трансформатор GALE/4, 3 – высоковольтные конденсаторы, 4 – фильтры высоких частот, 5 – динамический разрядник, 6 – батарея конденсаторов колебательного контура, 7 – первичная катушка, 8 – вторичная катушка, 9 – выходы для подключения к объекту ЭМ воздействия.

Рисунок 2.12 – Принцип работы установки. Красным выделен контур Следом за ними в цепь подключены фильтры высоких частот (4), необходимые для ограничения попадания в общую электросеть высокочастотных токов при работе установки. Фильтры представляют собой две катушки диаметром 50 мм, по 300 витков медного провода сечением 0, мм. Параллельно в цепь подключается разрядник (5), который необходим для питания и инициации колебаний в первичном контуре. Когда замыкается первичный контур, начинаются колебания, а дроссель мешает течь току от трансформаторов, заряжаясь сам. Питанием первичного колебательного контура служит батарея из высоковольтных конденсаторов К-75-25, соединенных последовательно для получения необходимых напряжения и емкости (6). Батарея конденсаторов и катушка (7) создают первичный колебательный контур. Вступая в резонанс с первичной катушкой, вторичная (которая находится внутри первичной) катушка (8) дает на выходе высокое напряжение (до нескольких мегавольт), повышенной частоты (от сотен килогерц до нескольких мегагерц). Электроды (9) создают искомое электромагнитное поле. Фото электротехнической части лабораторной установки на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 – Фото собранной установки:

1 – ванна с трансформаторами в моторном масле, 2 – счетчик электрической энергии, 3 – высоковольтные конденсаторы (балласт), – фильтры высоких частот, 5 – динамический разрядник, 6 – блок питания разрядника, 7 – батарея высоковольтных конденсаторов первичного колебательного контура, 8 – первичная катушка, 9 – вторичная катушка.

Для более детального понимания работы установки исследуются графики, отображающие процесс возникновения колебаний и переход энергии во вторичный колебательный контур. На рисунках 2.14 и 2. показаны графики напряжения в электрической сети и на батареи конденсаторов первичного колебательного контура.

Рисунок 2.14 – Колебания напряжения в электрической сети Рисунок 2.15 – Колебания напряжения на батарее конденсаторов Серым фоном выделены периоды, когда происходит разряд на искровом промежутке и замыкается первичный колебательный контур. На рисунке 2.16 ниже представлен график напряжения на первичной катушке.

Рисунок 2.16 – Напряжение на катушке первичного колебательного Более детально напряжение показано на графиках ниже (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 – Напряжение на батарее конденсаторов и катушке первичного колебательного контура соответственно После начала колебаний в первичном контуре начинается передача электромагнитной энергии во вторичную катушку. Этот процесс отражен на следующем графике изменения напряжения (рисунок 2.18) Рисунок 2.18 – Процесс наращивания напряжения на вторичной трансформатора достигает максимальных значений практически сразу же после начала колебаний в первичном контуре.

Напряжение на выходе вторичной катушке возникает кратковременно, в период, когда пробивается искровой промежуток и замыкается первичный колебательный контур. В остальное время, когда энергия, запасенная в батарее конденсаторов, израсходована, напряжение во вторичном контуре отсутствует. Что бы повысить эффективность работы установки, необходимо увеличить количество пробоев на разряднике. Для этого в установке используется динамический разрядник, который позволяет увеличить количество пробоев в секунду до 400 раз. Тогда график напряжения на вторичной катушке будет выглядеть следующим образом (рисунок 2.19).

Рисунок 2.19 – График напряжения на вторичной катушке при По графику видно, что максимальное напряжение при этом не возрастает. Однако, вращающийся разрядник позволяет увеличить количество моментов передачи энергии во вторичный контур. Это приводит к увеличению средней выходной мощности установки.

2.1.3 Описание гидродинамической части установки Гидродинамическая часть включает в себя емкость, нижняя часть которой представляет собой искусственную модель насыпного керна. Для создания модели использовался среднезернистый кварцевый песок.

Пористость модели была рассчитана по формуле Слихтера [97] для фиктивных грунтов где – угол упаковки (60 90 ).

Угол упаковки составил 670. Таким образом, пористость насыпного керна Абсолютная проницаемость искусственного керна составила 0,5 Д.

Верхняя часть емкости служит для добавления вытесняющего флюида и создания гидростатического напора. Для проведения исследований использовалось два варианта емкости:

пластиковая бутылка объемом 2000 см3 (рисунок 2.20);

стеклянная колба объемом 523 см3 (рисунок 2.21).

Рисунок 2.20 – 1-ый вариант гидродинамической части установки Рисунок 2.21 – 2-ой вариант гидродинамической части установки Емкость (1) подключена к электрической части установки при помощи электродов, представляющих в первом варианте – два стальных болта (3) диаметром 9 мм, длиной 15 мм, расположенных в насыпной части на расстоянии 110 мм друг от друга в вертикальной плоскости. Во втором варианте один электрод (2) погружен в насыпную часть колбы сверху, второй (3) представляет собой медную пластину (25 см2), расположенную снаружи под колбой. Данный тип подключения позволяет обосновать эффект именно электромагнитного воздействия на насыщенный коллектор.

Полная схема собранной лабораторной установки представлена на рисунке 2.22. Здесь гидродинамическая часть представлена стеклянной колбой, которая была описана выше.

Рисунок 2.22 – Схема лабораторной установки:

повышающими микроволновыми трансформаторами, высоковольтные конденсаторы Capacitor, 6 – катушки 2.2 Гидродинамические эксперименты по исследованию На описанной выше установке был проведен ряд экспериментов, направленных на обнаружение влияния электромагнитных волн на нефтесодержащий коллектор.

Объектом экспериментов является искусственная модель песчаного насыпного керна. Для насыщения модели использовалась нефть пласта Ю Вынгапуровского месторождения, плотностью 852 кг/м3, динамической вязкостью 2,8 мПа с, а также техническое масло в одном из опытов.

В качестве насыпного вещества использовался кварцевый песок.

Насыщенность модели флюидом во всех случаях составила 0,8 д.ед.

Воздействие производилось продолжительностью 5 секунд и с интервалами отключения установки – 5 секунд. Общее время обработки модели – 10 минут. В ходе экспериментов были сделаны замеры потребляемого электричества при помощи счетчика электроэнергии, а также рентабельности применения технологии на промысле. Графически работа установки показана на рисунке 2.23, отражающем изменение силы тока во времени. Время импульса – 5 секунд, скважность – 2.

Колебания силы тока регистрировались при помощи цифрового амперметра, включенного в схему последовательно элементам установки, после повышающих трансформаторов. Изменения показаний амперметра фиксировались цифровой видеокамерой. В дальнейшем это позволило точнее представить картину работы лабораторной установки.

Проведенные эксперименты по исследованию и оценке эффективности применения электромагнитного воздействия для повышения нефтеотдачи коллекторов можно разделить на 3 группы:

A. Эксперименты, направленные на нахождение критического градиента давления, при котором начинается фильтрация нефти.

B. Эксперименты, направленный на выявление степени воздействия электромагнитной обработки на характеристики вытеснения (коэффициент вытеснения).

подвижности нефти при электромагнитном воздействии.

2.2.1 Эксперимент № A-1. Определение критического градиента Цель эксперимента. Определение гидростатического градиента давления, при котором начинается фильтрация нефти [34]. Наблюдение за влиянием электромагнитного воздействия на преодоление критического градиента давления.

Объект эксперимента. Объект эксперимента – пластиковая емкость общим объемом 2000 см3 (1), представляющая собой бутылку, заполненную песком в объеме – 1500 см3. Объект является искусственной насыпной моделью керна. Пористость модели – 35 %, абсолютная проницаемость – 0, Д. Для проведения эксперимента была использована нефть объемом 420 см 3, плотностью 852 кг/м3, динамической вязкостью 2,8 мПа·с. В емкость, в одной вертикальной плоскости на глубину 60 мм были вмонтированы два электрода (3) на расстоянии 110 мм друг от друга (рисунок 2.24). Диаметр электродов – 9 мм, длина – 150 мм. Электроды представляют собой два стальных болта, подключенных к лабораторной установке (4). Сверху и снизу емкость имеет входное и выходное отверстия соответственно. Вытесненная из модели нефть попадает в мерную колбу (2).

Рисунок 2.24 – Эксперимент № А-1. Схема подключения установки к Основная задача. Основной задачей проведения эксперимента является нахождение gradPкр – критического градиента давления начала фильтрации.

Оценка влияния электромагнитного воздействия на градиент начала фильтрации нефти.

План проведения эксперимента.

1. Искусственная модель керна насыщается нефтью в объеме 420 см3, нефтенасыщенность составляет 0,8 д.ед.

2. Сверху в емкость поэтапно добавляется вода (плотность 1000 кг/м 3).

Вода добавляется объемами по 5 см3, с временными интервалами – 5 секунд для перераспределения давления.

3. Фиксируется высота напора воды – давление, при котором начинает капать нефть.

4. Отливаем из верхней части емкости добавленную воду до прекращения фильтрации нефти.

5. Производим обработку модели электромагнитным полем с интервалами 5 секундного включения и отключения лабораторной установки. Воздействие осуществляется до появления капель нефти.

Результаты эксперимента № А-1.Общий объем добавленной в модель воды составил 200 см3, после чего наблюдалось начало вытеснения нефти из нижней части модели. Сразу после этого из емкости было откачано 100 см воды через верхнее отверстие. В течение 10 секунд после этого фильтрация полностью прекратилась. За время ожидания из образца выделилось 2,7 см нефти. Зная площадь поперечного сечения емкости можно рассчитать высоты столбов нефти и воды и, следовательно, найти гидростатический перепад давления насыпной модели где – гидростатический перепад давления начала фильтрации (критический градиент, Па), g – ускорение свободного падения (м/с2), в,н – плотности нефти и воды соответственно (кг/м3), Vв,н – объемы воды и нефти соответственно (см3), F – площадь поперечного сечения емкости (см2). По формуле 2.8 найдем критический перепад давления Для определения критического градиента начала фильтрации полученный результат поделим на длину искусственной насыпной модели керна L (м) После того, как расход снизился до нуля, производилось включение лабораторной установки. На четвертой секунде электромагнитного воздействия фильтрация нефти возобновилась, со средним дебитом 0, см3/с.

На рисунке 2.25 представлено схематическое изображение объекта эксперимента № A-1.

Рисунок 2.25 – Схематическое изображение объекта эксперимента Результаты проведения эксперимента представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Результаты эксперимента № A- В результате проведения эксперимента № A-1 рассчитан критический градиент начала фильтрации, который составил 9656,61 Па/м. Расход по нефти, при этом, составил 0,09 см3/с. После уменьшения объема воды до см3 расход прекратился в связи с тем, что гидростатический градиент упал до 8988,23 Па/м. Однако, при обработке электромагнитным полем расход по нефти возобновился при конечном градиенте давления, что свидетельствует о снижении необходимого для вытеснения нефти гидростатического перепада. Можно сделать вывод об эффективности применения электромагнитного воздействия для повышения характеристик вытеснения нефти.

2.2.2 Эксперимент № B-1. Выявление степени воздействия электромагнитной обработки на эффективность вытеснения нефти водой Цель эксперимента. Определение коэффициента вытеснения нефти водой. Оценка эффективности электромагнитной обработки нефтенасыщенного коллектора с целью повышения коэффициента вытеснения.

Объект эксперимента. Объектом эксперимента является насыпная модель песчаного керна, представляющая собой пластиковую емкость объемом 2000 см3 (насыпная часть – 1500 см3) – аналогичная объекту эксперимента № A-1 (пористость 35 %, проницаемость 0,5 Д). В емкость, в одной вертикальной плоскости на глубину 60 мм были вмонтированы два электрода на расстоянии 110 мм друг от друга. Диаметр электродов – 9 мм, длина – 150 мм. Электроды представляют собой два стальных болта, подключенных к лабораторной установке. Сверху и снизу емкость имеет входное и выходное отверстия соответственно. Вытесненная из модели нефть попадает в мерную колбу.

Основная задача. Основная задача заключается в сопоставлении начального коэффициента вытеснения нефти водой с коэффициентом вытеснения после проведения электромагнитной обработки насыпной модели.

План проведения эксперимента.

Искусственная модель насыпного песчаного керна насыщается нефтью (плотность 852 кг/м3, динамическая вязкость 2,8 мПа·с) в объеме см3, коэффициент нефтенасыщенности составляет 0,8 д.ед.

Производится промывка искусственной модели водой (вязкость 1,052 мПа·с, плотность 1000 кг/м3) в объеме 3000 см3.

Производится расчет остаточной нефтенасыщенности (Sост) и коэффициента вытеснения (Квыт).

электромагнитным воздействием в течение 10 минут.

Оценка конечного коэффициента вытеснения и сопоставление с предыдущим значением.

эксперимента заключается в нахождении коэффициента вытеснения нефти из модели искусственного насыпного керна. Для этого в емкость с насыщенным нефтью песком добавлялась вода, общий объем которой составил 3000 см3.

Количество нефти, вытесненной при этом составило 265 см3. Коэффициент вытеснения Квыт1 составил 0,631 д.ед. Остаточная нефтенасыщенность модели – 0,295 д.ед.