Наука и Техника в газовой промышленности №3(63) 2015. Плазменно-импульсная технология повышения нефтеотдачи: оценка параметров механического воздействия

Пащенко А.Ф.
Агеев П.Г.

Аннотация: в статье описывается инновационный метод увеличения нефтеотдачи, основанный на применении плазменно-импульсного воздействия на продуктивный пласт. Наибольшее внимание уделено начальным параметрам воздействия, таким как энергия, температура, давление, возникающим при электрическом взрыве металлического проводника. Получены оценки температуры, начального давления и эффективного радиуса газового пузыря, а также приобретаемого избыточного давления и его зависимости от расстояния.

1. Введение

Ввиду неуклонного истощения запасов легкодобываемых углеводородов и отсутствия на сегодняшний день альтернативных развитых источников энергии основные задачи топливно-энергетического комплекса на ближайшую перспективу формулируются следующим образом: 1)разведка и освоение новых месторождений (преимущественно в Восточной Сибири, на Дальнем Востоке, на арктическом шельфе); 2)разработка и внедрение эффективных технологий добычи трудноизвлекаемых нефтей (баженовские, абалакские слои, сланцевые нефть и газ); 3)повышение коэффициента извлечения нефти (КИН) на существующих и перспективных месторождениях.

Метод повышения нефтеотдачи, основанный на плазменно-импульсном воздействии на продуктивный пласт, способствует осуществлению двух последних задач.

Кратко сформулируем принцип плазменно-импульсного воздействия, разработанного компанией Новас. Физической основой плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) являются периодические импульсы равной силы, разнесенные на одинаковые отрезки времени, за счет прохождения разрядного тока через калиброванный металлический проводник (проволоку), который после взрыва превращается в пар с высокой плотностью, температурой и давлением. Образованная при взрыве ударная волна, радиально распространяясь со сверхзвуковой скоростью, выходит через перфорационные отверстия и оказывает упругое сжимающее и растягивающее воздействие на окружающую среду.

В результате происходит декольматация призабойной зоны скважины, очистка трещин и каналов от солей твердых частиц, ароматических углеводородов, за счет развития аномальной сети микротрещин улучшается проницаемость контура питания скважины, в работу включаются ранее не промытые пропластки и целики нефти. Одновременно снимается поверхностное натяжение жидкости в порах, капиллярах и микрокапиллярах, в результате чего нефть замещает воду и получает дополнительные возможности для фильтрации к скважине, а за счет возникновения резонансного эффекта одновременно происходит перераспределение двухфазной жидкости (нефть/газ – вода) по вертикали. [1, 2]

Схематичное изображение плазменно-импульсного генератора приведено на рис.1. [3]

Технология плазменно-импульсного воздействия на продуктивные нефтяные пласты успешно применяется компанией Новас начиная с 2007 года. Разработан и производится промышленный генератор ПИВ Приток – 1М. На сегодняшний день по этой технологии обработано более 300 нефтедобывающих и нагнетательных скважин в России и за рубежом, в большинстве случаев получен положительный технологический эффект [2, 4-7]. Внешний вид промышленного образца прибора Приток -1М приведен на рис.2.

Сама технология ПИВ и заложенные в нее принципы являются комплексными и многофакторными, представляют собой сочетание трудно наблюдаемых и слабо изученных физических и химических явлений, происходящих внутри пласта, а накопленные статистические данные пока представляют непрезентативную выборку для достоверного математического описания с использованием существующих математических методов.

Данная работа посвящена описанию и оценке параметров процесса, происходящего в начальный момент электрического разряда внутри излучателя прибора Приток -1М и является лишь одним из начальных шагов к описанию всего комплекса процессов, протекающих в скважинном и околоскважинном пространстве при использовании технологии ПИВ.

2. Оценка физических параметров электрического взрыва проводника

Поскольку одним из базовых принципов плазменно-импульсного воздействия на нефтеносный пласт является генерация волн сжатия-растяжения, вызываемых в первую очередь взрывом металлического проводника и пульсацией газового пузыря, особую важность имеет определение энергии взрыва, температуры и скорости формирования импульсов давления.

Конструкция прибора Приток -1М предусматривает в качестве замыкающего электроды проводника металлическую проволоку диаметром 0,45 мм. Напряжение заряженных конденсаторов в момент, предшествующий разряду составляет в рабочем режиме 3000 В, емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов – 250 мкФ. Время разряда, определяемое характеристиками конкретных используемых конденсаторов – 55 μс.

Поскольку термин «взрыв» определяется как физический или химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объеме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов, мы можем справедливо называть взрывом электрический разряд проводника в приборе.

Способ создания импульсного давления, основанный на взрыве проволоки в жидкости, широко известен. Жидкость при этом служит средой, передающей давление, созданное в результате взрыва проволоки в центре условного сосуда (в реальной ситуации роль сосуда при плазменно-импульсном воздействии выполняет нефтедобывающая скважина). Поскольку скважина заполнена нефтесодержащим флюидом (в общем смысле смесь нефти с водой), в каждом конкретном случае процентное содержание воды и химический состав флюида сильно различается, то в приводимых расчетах для простоты будем исходить из условий взрыва проволоки в воде.

Энергия разряда в нашем случае составляет, исходя из приведенных выше условий,

При взрыве проволоки в воде, при условии, что запасенная в батарее конденсаторов энергия больше энергии испарения проводника, происходит мгновенный нагрев, возникает дуговой разряд, проволока испаряется, и развивается импульсное давление.

На практике, при проведении ПИВ используются различные проводники, например, константан, нихром и т.д. Однако мы в расчетах будем считать, что в качестве проводника использована медная проволока. Такой подход позволяет избавится от неопределенности, связанной с многоатомным химическим составом. К тому же, опыт, накопленный при проведении работ по ПИВ, позволяет предположить, что использование медного проводника позволяет получать наиболее стабильные и предсказуемые результаты.

Объем медной проволоки, участвующей во взрыве, исходя из длины проводника 30 мм., составляет

Исходя из плотности меди 8920 кг/м³, масса проволокисоставляет 4,25587·10^-5 кг, а количество вещества ν, исходя из молярной массы 0,063546 кг/моль, составит 0,00067 моль.

Учитывая, что удельная теплота плавления меди составляет 13,01 кДж/моль и удельная теплота испарения 304,6 кДж/моль, затраты энергии на превращение данного количества вещества в пар составят 212,65 Дж

При этом будет достигнута температура испарения меди Т_исп=2840,15 К.

Большая часть полной энергии взрыва выделяется в проволоке в течение цикла разряда примерно за 55 μс. Взрывающаяся проволока расширяется, образуя искровой канал, который аккумулирует эту энергию в виде энергии диссоциации, ионизации и возбуждения молекул Cu и H₂O. При дальнейшем расширении искрового канала образуется газовый пузырь, расширение которого продолжается до максимального радиуса, при котором вся кинетическая энергия оказывается переданной водной среде, создавая при этом ударную волну. Возросшая потенциальная энергия воды снова сообщается пузырю, обусловливая его сжатие до минимальных размеров. Этот цикл повторяется, пока энергия пузыря убывает благодаря эмиссии акустических ударных волн при последовательных минимумах, а также за счет конденсации и вязких потерь в воде. Возможны 2-3, реже 3-4 таких цикла, прежде чем энергия полностью рассеется (рис.3, 4). В результате серии повторяющихся при проведении ПИВ через равные промежутки времени разрядов, в среде создается череда волн сжатия-растяжения, способствующих увеличению притока флюида к скважине.

Основываясь на ряде исследований, в частности [8], можно предположить, что на энергию образования газового пузыря уходит примерно 31% от общей энергии взрыва. Вероятно, будет справедливо предположить, что в нашем случае энергия, идущая на образование и расширение газового пузыря будет равна 31% от разности (1) и (2), поскольку энергия из (2) будет потрачена на разогрев проводника до начала образования пузыря:

Учитывая, что взрыв проволоки происходит за очень короткий промежуток времени, практически моментально, можно предположить первоначальный объем газа равным объему взрываемой проволоки и применить к нему уравнения молекулярно-кинетической теории (МКТ) для идеального газа, предполагая также отсутствие теплообмена с жидкостью [9]. Тогда температура, до которой разогреется газ определяется из выражения

где T – температура, n – концентрация молекул(N – общее число молекул меди),- средняя кинетическая энергия молекул, М – молекулярная масса, ρ – плотность вещества, R – универсальная газовая постоянная 8,31 Дж/моль·К.

Поскольку молекулы меди после взрыва в результате нагрева приобретают ускорение и разлетаются от эпицентра взрыва, можно считать Е_общ=Q_n из (3) и выражение (4) приобретает вид

К полученному значению температуры надо прибавить значение температуры испарения меди, поскольку выражение (5) фактически означает температуру, добавленную к веществу, уже находящемуся в состоянии идеального газа. Следовательно, максимальная температура, которой может достичь газовый пузырь из взорванного медного проводника составит 36719 К.

Мгновенный нагрев металла до высокой температуры приводит к образованию плазмы, поскольку происходит термическая ионизация частиц. Ток разряда при образовании плазмы прекращается, облако плазмы начинает расширятся, преобразуя приобретенную энергию в импульсное давление.

С учетом (5) давление в момент взрыва проволоки по уравнению Клапейрона составит

Поскольку  где - масса одной молекулы,- средняя скорость молекулы, то скорость разлета частиц меди после взрыва

Приведенные рассуждения и оценки справедливы для начального момента времени, пока газ занимает объем, равный первоначальному объему медного проводника.

Стоит отметить, что полученные численные характеристики (5)-(7) в реальных условиях могут оказаться несколько ниже в силу действия таких факторов, как дополнительное сопротивление разрядного контура, неполный разряд конденсаторов в режиме эксплуатации и т.д. Тем не менее, общий порядок приведенных значений позволяет утверждать, что при взрыве медного проводника происходит образование облака металлизированного газа с температурой, соответствующей условиям существования низкотемпературной плазмы, чрезвычайно высоким давлением и сверхзвуковой скоростью распространения частиц.

Также, говоря о возникновении плазмы, необходимо отметить, что при мощном электрическом разряде, проходящем через проводник и приводящем к его взрыву, происходит электрическая, термическая и ударная ионизация металла. В дальнейшем, в ходе химических реакций с водой, происходит также ультрафиолетовая и термическая ионизация продуктов этих реакций. Таким образом, образование плотной низкотемпературной плазмы с невысокой степенью ионизации (по приблизительным оценкам порядка 0,2-0,5%) в результате взрыва металлического проводника не вызывает сомнений.

3. Размеры газового пузыря и распространение импульсного давления.

Для оценки импульсного воздействия ПИВ на нефтенасыщенную породу, необходимо оценить изменение импульсного давления при его распространении от центра взрыва к стенкам колонны скважины.

Сначала рассчитаем радиус газового пузыря, образующегося в результате взрыва проводника. Для этого обратимся к известным методикам расчетов для взрывчатых веществ, приведенным, например, в [10, 11]. Представим взрываемую проволоку в виде шарообразного заряда. Зная объем проволоки, который мы привели в п.2 V=4,77115•10^-9 м³, получим радиус шара данного объема R=0,001044 м.

Газовый пузырь, расширяясь, вытесняет окружающую его среду (в нашем случае скважинную жидкость) до тех пор, пока давление внутри пузыря не сравняется с давлением среды. Иными словами, пока не сравняются их плотности. Таким образом, максимальный радиус газового пузыря должен соответствовать шару такого объема, в котором будет содержаться масса окружающей среды равная собственной массе заряда. Соответственно, максимальный радиус пузыря R1 должен быть пропорционален отношению плотности взрываемого вещества к плотности окружающей среды:

где– плотность взрывчатого вещества, – плотность окружающей среды.

Для упрощения расчетов будем считать, что скважинная жидкость представляет собой воду (поскольку в реальности в каждом случае состав флюида различен и требует индивидуального расчета в зависимости от конкретных физико-химических характеристик). Зная плотность воды 1000 кг/м³ и плотность меди 8920 кг/м³, можно получить искомый радиус приблизительно равный R₁=0,00217 м. = 2,17 мм.

Расчетный радиус R₁ имеет существенное значение при рассмотрении действий взрыва. Пройдя расстояние, равное R₁, масса взрывных газов вытесняет во все стороны равную себе массу воды. Этого достаточно, чтобы затормозить расширение газового пузыря, дальнейшее расширение протекает медленно по инерции и переходит в процесс сжатия пузыря, описанный в п.2. Полученное расчетное значение 2,17 мм. позволяет утверждать, что парогазовый пузырь не выходит за пределы излучателя прибора Приток -1М, чем объясняется в частности отсутствие при проведении ПИВ выброса воды вверх (так называемого султана), обычно наблюдаемого при взрывах и электрических разрядах в жидкостях.

Рассчитаем теперь избыточное давление, создаваемое расширением газового пузыря, на некотором расстоянии от центра взрыва. В качестве примера для расчета возьмем один из стандартов обсадной колонны с наружным диаметром 168 мм, а внутренним - 150 мм.

Обобщенная формула М.А. Садовского для расчета избыточного давления при взрыве любого взрывчатого вещества в различных газовых средах имеет вид:

где ∆P – избыточное давление, U₁ – удельная энергия взрывчатого вещества (ВВ), U_T – удельная энергия тротила, P₁ – давление невозмущенной среды, Р₀ – нормальное давление воздуха, R – расстояние от взрыва, m – масса заряда.

Ударная волна в воде может рассматриваться исходя из тех же предпосылок, которые положены в основу изучения воздушных ударных волн. Можно считать, что вода (или газо-жидкостная среда) представляет собой газ, чрезвычайно сильно сжатый молекулярными силами, т.е. с очень сильным притяжением молекул друг к другу. Это притяжение настолько сильно уплотняет воду, как если бы она была сжата внешним давлением, примерно в 10000 раз превосходящим нормальное давление атмосферного воздуха. Так как различные внешние нагрузки без наличия существенной газовой фазы почти не могут изменить плотность воды, то обычно она считается несжимаемой. Но при взрыве некоторое сжатие ее все же возникает и это сопровождается появлением в воде достаточно высоких давлений за фронтом водяной ударной волны. Таким образом, считая, что для воды Р₁ в 10000 раз больше, чем для воздуха, формулу (9) можно записать в виде [11]

Будем исходить из того, что удельная мощность тротила составляет 4184 кДж/кг, а энергия взрыва медного проводника в нашем случае составляет около 6645 кДж/кг (282,8 Дж отнесенные к 4,25587·10^-5 кг). Следовательно, Тогда на расстоянии половины диаметра эксплуатационной колонны, равном 75 мм,

Сравнивая полученное значение (11) с более часто применяемой (но менее точной) формулой для расчета избыточного давления при подводных взрывах американского ученого Р. Коула

(здесь q – масса заряда в тротиловом эквиваленте), получим близкое значение для ∆Р= 267,5 ати.

Достигая стенки колонны, ударная волна частично отражается от нее, а частично уходит в пласт. При этом надо учитывать, что давление при отражении ударной волны примерно удваивается. Несмотря на высокое значение избыточного давления, благодаря кратковременности воздействия оно не разрушает материалы колонны. Однако резкий, сильный удар, наносимый ударной волной, разрушает хрупкие, имеющие относительно малую прочность, осадки. Следующая фаза действия заключается в «расшатывании» разрушенного осадка при пульсации образовавшихся продуктов взрыва. При начальном расширении газового пузыря растущее давление отжимает жидкость из скважины в пласт. Затем на газовый пузырь начинает действовать гидростатическое давление, сжимая его, и при этом жидкость будет стремиться из пласта в скважину, способствуя удалению осадков из перфорационных отверстий. Многократно повторяющаяся при ПИВ пульсация с затухающими амплитудами способна вызвать в конечном итоге увеличение притока жидкости к скважине.

Моделирование процесса затухания избыточного давления по мере удаления от центра взрыва (рис. 5) подтверждает известные из теории выводы о том, что импульсное давление стремительно уменьшается во времени по экспоненциальному закону.

В то же время периодическое воздействие на среду приводит к возникновению низкочастотных колебаний, при этом появившиеся волны относятся к типу поперечных, которые распространяются с очень низкими скоростями, с которыми линейные волны не распространяются.

4. Заключение

Экспериментальное подтверждение полученных расчетных значений пока представляется затруднительным в связи с высокой скоростью происходящих процессов (к примеру, проводившаяся съемка высокоскоростной камерой с частотой 15000 fps так и не смогла детально зафиксировать процесс взрыва) и большим значением импульсного давления при взрыве проволоки. В настоящее время разрабатывается методика испытаний и требования к испытательному стенду для косвенной оценки этих параметров по остаточным показаниям датчиков, закрепленных на стенках испытательной камеры. Испытания будут проводиться с использованием полученных в настоящей работе результатов и закономерностей.

Значительный интерес представляет также сравнение и определение оптимальных материалов металлического проводника, поскольку продукты взрыва вступают в химическую реакцию с водой и могут образовывать химические соединения, способные к самостоятельному термическому взрыву и генерации дополнительных импульсов давления.

Дальнейшие исследования будут посвящены изучению частотно-волновых характеристик импульсов, генерируемых при плазменно-импульсном воздействии, физико-химическим преобразованиям, вызываемым этим воздействием, кавитационным, электромагнитным, сейсмо-акустическим и иным видам воздействия при проведении ПИВ.

Литература

1. Плазменно-импульсное воздействие повышает нефтеотдачу пластов. Oil&Gas Eurasia, №8, 2008.  С.10

2. Молчанов А.А., Агеев П.Г. Плазменно-импульсное воздействие на продуктивные пласты. Oil&Gas Journal №9 (22), 2008. С. 42-45   

3. Молчанов А.А., Агеев П.Г., Большаков Е.П., Яценко Б.П. Способ воздействия на призабойную зону скважины и нефтенасыщенные пласты (варианты) и устройство для его осуществления. Патент RU 2373386 C1, 01.07.2008.

4. Агеев П.Г. Эффективность подтверждается. Нефтесервис, №4(8), 2009  С. 44

5. Молчанов А.А., Агеев Н.П., Агеев П.Г. Увеличение продуктивности скважин плазменно-импульсным воздействием на пласт. Oil&Gas Journal #1-2 (36), 2010 стр. 30-34

6. Вежнин С.А., Нечаев В.К. Применение технологии плазменно-импульсного воздействия для выравнивания профиля приемистости. Нефтяное хозяйство №5, 2010. с. 94-95

7. Агеев П.Г. Опыт применения технологии плазменно-импульсного воздействия на карбонатных коллекторах. Oil&Gas Eurasia, №6, 2010 С.110

8. Бунтцен Р. Применение взрывающихся проволочек при изучении маломощных подводных взрывов. Электрический взрыв проводников. М.: Мир, 1965. С. 225-238

9. Кортхонджия В.П., Мдивнишвили М.О., Саралидзе З.К. О природе импульсного давления, создаваемого взрывом проволоки в воде. Журнал технической физики, т.76, вып.11, 2006. С. 43-46

10. Лопанов А.Н. Критические процессы. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. 244 с.

11. Орленко Л.П. Физика взрыва и удара. М.: Физматлит, 2006. 304 с.