Автор: Дамир Сарваров

Немного истории. Со струйными насосами для проведения промыслово-геофизических исследований (ПГИ) я впервые столкнулся в 2002 году, работая в компании ТНГ-Групп (г. Усинск). С тех пор я покорен простотой и изяществом этого оборудования. За годы работы в геофизике я сталкивался с задачами и освоения и исследований скважин, что помогло приобрести опыт работы с этими насосами. Начиная с 2010 года в компании Некко я развивал эту технологию «с нуля» (компания вводила новое направление), там с командой геофизиков, пришедших со мной в одно время, мы поставили направление освоения и исследования скважин на качественно новый уровень. Поставлявший на то время насосы Шановский Я.В. активно делился опытом. Со временем мы модернизировали насосы Шановского, увеличив их надежность и эффективность, при этом оставаясь в унифицированных ограничениях, связанных с серийностью выпуска.

С 2017 года я разрабатываю струйные насосы для различных задач. В результате появились две серии струйных насосов: исследования СНИ и освоения СНО. Они имеют расширенный функционал для решения задач любой сложности.

Струйные (эжекторные) насосы ЭнеГро представлены двумя сериями:

1. Струйные насосы освоения и добычи СНО (струйная пара в сбрасываемых вставках). СНО предназначена в основном для освоения и добычи. Модель СНО-1 стала базовой и имеет возможности для геофизических исследований и гидродинамических исследований на скважинах с АВПД (аномально высоким пластовым давлением).
2. Струйные насосы исследований скважин СНИ (струйная пара в корпусе, спускаемым на НКТ). Модели СНИ-3 и СНИ-4 созданы для для промысловых геофизических исследований, но также хорошо справляются с задачами освоения. Модели СНИ-1-мг и СНИ-2 используются для освоения, имеют очень простую конструкцию и не требуют при использовании на скважине высококвалифицированного персонала.

Немного о назначении и физике процесса

Технологии бурения и подготовки скважин к эксплуатации часто приводят к существенному снижению проницаемости пласта в призабойной зоне. Во время эксплуатации скважин в призабойной зоне также возникают различные осложнения. Поэтому в процессе освоения скважин важно исправить негативные последствия предыдущих работ. Время, отводимое на освоение скважин, исчисляется часами и сутками, а время предстоящей работы скважины – десятками лет. Низкое качество освоения – это низкая продуктивность скважины и ненадежная работа скважины на долгие годы.

Цель освоения — восстановление естественной проницаемости коллектора, соответствующей его потенциальным возможностям. Приток жидкости в скважины происходит под действием разницы между пластовым давлением и давлением на забое скважины. Все операции по вызову притока и освоению скважины сводятся к созданию на ее забое депрессии, т.е. давления ниже пластового. В устойчивых коллекторах эта депрессия должна быть достаточно большой и достигаться быстро, в рыхлых коллекторах, наоборот, небольшой и плавной.

Недостатки существующих технологий

Вызов притока свабированием или компрессированием позволяет уверенно испытывать высокопроницаемые пласты. Ограничением данных методов является сложность вызова притока из малопроницаемых, закольматированных пластов и скважин с низким пластовым давлением.

При компрессорном освоении испытуемый пласт на начальном этапе снижения уровня подвергается действию избыточного давления (до срабатывания пусковых муфт), что приводит к поглощению пластом скважинной жидкости, снижая тем самым проницаемость призабойной зоны для углеводородной фазы. При этом регулировать создаваемую депрессию в процессе освоения компрессором невозможно.

Освоение скважины свабированием имеет тот недостаток, что депрессия создается дискретно и не мгновенно, так как требуется некоторое время на спуск и подъем сваба. Кроме того, при свабирование низкопродуктивного объекта невозможно добиться стабильного стационарного отбора продукции со снятием дебита и забойного давления.

При освоении скважины струйным насосом таких недостатков нет. Напротив, есть ряд преимуществ:

• исключительная надежность, связанная с простотой конструкции и отсутствием подвижных деталей, а также со способностью устойчиво работать при воздействиях, нарушающих нормальное нагнетание жидкости;
• простота пуска, остановки и изменения параметров работы в широком диапазоне, при этом устойчивость работы не нарушается;
• минимальная чувствительность на газовые и твердые включения в перекачиваемой среде, что важно при перекачке газосодержащих и загрязненных жидкостей, в том числе агрессивных и радиоактивных;
• совмещение процессов энергообмена, протекающих в камере смешения струйного насоса, с химическими и термическими процессами сокращает продолжительность технологических операций и возрастает их интенсивность;

Назначение струйных насосов

Струйные насосы предназначены для создания депрессии и вызова притока из пласта, при решении различных задач — освоение после бурения, ГРП, перфорации, химических, физических обработок призабойной зоны пласта, добычи пластового флюида, проведение гидродинамических и геофизических исследований.

На сегодняшний день струйные насосы являются одним из элементов компоновок для решения комплексных задач направленных на оптимизацию временных затрат.

Что важно знать о применимости струйных насосов

При использовании эжекторных систем нужно помнить, что у нас есть три разделенных между собой области сред. Оценим их по давлению.

Первая среда (рабочий поток) – область высокого давления, создаваемая рабочим потоком за счет работы силового агрегата. Вторая среда (смешанный поток) – зона нормального гидростатического давления, в ней перемешанная рабочая жидкость и извлекаемая жидкость выносятся в общем смешанном потоке. Третья среда (всасываемый поток) – область давления со значением ниже статического (или пластового) откуда извлекается жидкость (всасываемый поток).

Что важно знать, планируя использование струйного насоса для освоения и исследования скважин

Выделим три важных пункта:

1. Статический уровень – важный парметр для понимания, какое минимальное давление необходимо создать для вызова притока.

Справка: При заполнении скважины на объем статического уровня необходимо понимать, что его необходимо скомпенсировать работой силовой установки. И только усилие, затраченное сверх этой компенсации, пойдет на работу струйного (эжекторного) насоса.

2. Возможности силовой установки (насосного агрегата) – решающий параметр, который звучит, как вопрос: какие максимальное рабочее давление и расход жидкости в течение желаемого времени освоения может создавать установка? Этот параметр определит возможность применения насосного агрегата, а следовательно и струйного насоса.

Вопреки наших желаний:

• насосные агрегаты имеют технические ограничения;
• ограничение имеют НКТ и ЭК по максимально возможному применимому давлению;
• способность насосного агрегата создавать и поддерживать непрерывно заданный расход и давление нагнетания небезгранично во времени.

Справка: слабые технические характеристики насосных агрегатов в большинстве своем на сегодня это один из основных факторов малого применения и использования струйных насосов. Данный фактор связан прежде всего с основной текущей потребностью технологических процессов, мало где используются длительные закачки на высоких давлениях.

3. Давление опрессовки эксплуатационной колонны (ЭК) и ее герметичность — параметр возможности работы в данной колонне. Герметичность необходима, чтобы циркулирующая жидкость не уходила в места не герметичности и была возможность оценить текущий дебит. Давление опрессовки ЭК – даст понимание возможности освоения или геофизических исследований с нагнетанием рабочего потока по затрубью.

Справка: При геофизических исследованиях со струйным насосом и нагнетании рабочего потока по затрубью на герметизирующем узле отсутствует излишек перепада давления в виде давления нагнетания, что дает возможность создавать большую депрессию (ограничением становится давление опрессовки ЭК).

Оперируя этими тремя параметрами можно быстро оценить возможность применения струйных насосов в том или ином случае.

Работая в Некко я адаптировал алгоритм расчета, позволяющий количественно оценивать забойные параметры. В последствии написал программу дизайна (калькулятор) оценивающую забойные параметры при различных режимах нагнетания. Снимая заранее возникающие вопросы скажу, что программа является оценочной и несовпадение с практическими данными (10-20%) объясняется наличием сложной многофазной средой и не всегда актуальными данными, предоставленными для расчета. Не смотря на невысокую точность, такой оценки вполне достаточно, чтобы оценить возможность работы со струйным насосом и оценить необходимый режим освоения (необходимую величину депрессии).

В настоящее время для поддержания уровня добычи жидких углеводородов включают в разработку запасы нефти формирующихся за счет месторождений с вязкой, высоковязкой, сверхвязкой нефтью (далее по тексту – вязкая нефть). Большая часть таких месторождений находятся в регионах с развитой инфраструктурой поэтому их разработка сегодня становится реальной задачей и необходимым условием для развития нефтяного бизнеса.

Запасы месторождений с нефтью вязкостью более 10 сантипуаз истощены у нас в стране всего на 10-30% (в зависимости от степени вязкости).  По оценкам ГКЗ РФ запасы такой нефти по категориям АВС1+С2 составляют в России порядка 1,7 млрд тонн, т.е. около 10% от общих запасов «черного золота» в стране. А начальные запасы превышают 5 млрд тонн.

Сложности с разработкой месторождений с вязкой нефтью связаны с извлечением ее из пласта и транспортировкой от пласта до места переработки. Для их решения применяют специальные методы воздействия на пласт. К ним относятся тепловые (вытеснение паром, парогаз, сочетание горизонтального бурения с парогравитацией (SAGD), внутрипластовое горение), физические (гидравлический разрыв пласта), химические, специальные методы заводнения, микробиологические. Реализация перечисленных методов сопряжена со значительными энергетическими затратами, трудностями в технической реализации, что приводит к снижению эффективности и удорожанию добычи.

Для увеличения эффективности и снижения энергозатрат используемых методов можно использовать акустическое воздействие на пласт. Также акустическое воздействие можно использовать как самостоятельный вид обработки пласта.

Предлагаемый метод основан на щадящем и длительном воздействии на пласт акустическими колебаниями, которые сопровождаются значительными знакопеременными нагрузками, что дает:

1. Увеличение отбора жидкости. За счет «поршневого» эффекта увеличивается объем фильтрации подвижного флюида;
2. Интенсификацию отбора нефти. За счет преодоления вязкопластических сил, удерживающих флюид в процесс фильтрации, вовлекается неподвижный флюид;
3. Снижение вязкости нефти и уменьшение обводненности продукции. За счет деполяризации молекул и ослабления межмолекулярных связей разрушается реологическая структура нефти, вследствие чего увеличивается ее фазовая проницаемость, тогда как для воды она остается неизменной;
4. Повышение коэффициента вытеснения нефти водой. За счет уменьшения угла смачивания между водой и нефтью преодолеваются силы поверхностного натяжения;
5. Перераспределение нефтенасыщенности и более полное нефтеизвлечение. За счет ускорения гравитационного разделения фаз разных плотностей в акустическом поле происходит сегрегация (разделение) нефти и воды в высокообводненных пластах;
6. Увеличение проницаемости коллектора и коэффициента нефтеизвлечения. За счет сейсмоэлектрического эффекта, который разрушает пристеночные неподвижные слои жидкости (нефти), имеющих электростатическую природу, увеличиваются эффективные сечения поровых и перфорационных каналов. Таким образом происходит очистка их от механических примесей, вязких отложений и срывов поверхностных слоев жидкости, а также вовлечение в процесс фильтрации застойных зон пласта.

Проведенные опытно-промышленные испытания по акустическому воздействию на пласт при одновременном вызове притока струйным насосом, с целью очистки призабойной зоны пласта дали положительные результаты. Работы проводились в подразделениях Роснефти, Лукойла, Газпром нефти. Акустический излучатель спускали на геофизическом кабеле и производили обработку призабойной зоны пласта (1 час на 1 метр интервала, f= 10-11 кГц) при работе струйного насоса на стабильном режиме, параллельно производили оценку изменения притока от акустической обработки. Средний эффект составил дополнительных 4 тонны в сутки, продолжительность эффекта от 4 до 18 месяцев.

Не смотря на положительные результаты акустической обработки недропользователи насторожено относятся к акустическому воздействию. Это связано с особенностями технологии:

• технология наукоемкая и требует слаженной работы специалистов различного профиля (ученых, инженеров, геологов);
• технология «капризная» и требует детального изучения геологического строения участков на соответствие применяемых параметров обработки реальным геологическим условиям;
• малое количество промышленных испытаний (не хватает статистической оценки опыта применения);
• высокая стоимость, которая на сегодня обусловлена единичными работами.

При системном использовании технологии акустической обработки на базе геофизического предприятия позволит существенно сократить стоимость проведения данных работ. Использование геолого-геофизического подхода к выбираемым скважинам кандидатам позволит решить проблему «капризности» технологии.

Проведенные работы по очистке призабойной зоны пласта дало толчок к возможности применения акустического воздействия в постоянном режиме при добыче углеводородов, в том числе и вязкой нефти. Как при самостоятельном применении, так и в комплексе с существующими методами добычи вязкой нефти акустическое воздействие позволит повысить эффективность за счет сокращения энергопотребления, предотвращения кольматации призабойной зоны пласта, увеличения межремонтного периода глубинного насосного оборудования, увеличения нефтеизвлечения. В общем итоге акустическое воздействие становится одним из шагов на пути снижения себестоимости добычи вязкой нефти, что является важным фактором в современном мире.

Для подбора необходимого оптимального режима эксплуатации скважины, можно использовать акустический комплекс и струйный насос. Это позволит провести гидродинамические исследования:

• на различных режимах работы акустического комплекса путем регулирования времени и мощности акустической обработки пласта;
• в широком диапазоне забойных давлений путем регулирования давления закачки рабочей жидкости на входе струйного насоса.

Гидродинамические исследования позволят подобрать глубинное насосное оборудование, необходимые эксплуатационные параметры работы пласта и его акустической обработки, что очень важно при работе в многофазных средах.

Акустический комплекс позволит повысить эффективность существующих методов по оптимизации энергозатрат для транспортировки вязкой нефти от пласта до места ее переработки.

Проведенные нами лабораторные испытания по снижению вязкости проводились с нефтяной эмульсией (обводненностью 30%). Нефтяная эмульсия подвергалась акустической обработке частотой 17 кГц в течение 60 и 300 секунд. В результате обработки получили снижение вязкости на 30% и снижение нагрузки на электродвигатель перекачивающего насоса на 38%, при сохранении температурного режима. Восстановление до исходных параметров вязкости составило 5 часов. Причем, время обработки на результат не повлияло. После акустической обработки получили гомогенизированную нефтяную эмульсию со сниженной вязкостью с временем гравитационного разделения на нефть и воду в течение 8 часов (у исходной нефтяной эмульсии 1-2 часа). В лабораторных испытаниях было исключено влияние температуры, чтобы оценить влияние акустического воздействия. Затрачиваемая энергия на работу акустического излучателя составляет 30-40% потребляемой энергии, а 60-70% затрачивается на нагрев. Для охлаждения целесообразно использовать обрабатываемую нефтяную эмульсию, что дополнительно приведет к снижению ее вязкости за счет теплообмена.

Снижение вязкости и гомогенизация объясняется явлением кавитации. Фактически это образование и схлопывание пузырьков газа в жидкой среде. Результатом этого, при обработке высокой степени интенсивности, является разложение высокоплавких высокомолекулярных парафинов, в следствии чего изменяются физико-химические (эксплуатационные) свойства нефти. Также кавитационные эффекты, которые возникают при акустической обработке нефти, препятствуют объединению поляризованных ассоциатов в крупные структуры, диспергируя их на более мелкие группы молекул.

Результаты лабораторных работ показывают возможность использования акустической обработки в постоянном режиме при транспортировке вязкой нефти от пласта до места ее переработки как самостоятельный метод воздействия, так и в комплексе с существующими. Например, при добавлении химических реагентов, реагирование будет происходить быстрее и с меньшим расходом реагентов, лучше гомогенизируя смесь.

На сегодня есть проекты разработок оборудования для акустического воздействия на перекачиваемые вязкие нефтяные эмульсии, которые требуют промышленного исполнения и испытаний. Обратная связь с разработчиками позволит улучшить технологию и удешевить производство оборудования за счет оптимального подбора рабочих параметров и серийного производства.

Массовое применение акустического комплекса при добыче и транспортировке углеводородов позволит говорить о новом витке в освоении месторождений с вязкой нефтью.

Известные физические эффекты зачастую требуют практического подтверждения, чтобы психологически мы могли их принять. То же касается и влияния акустического воздействия на изменение вязкости жидкостей. В ходе лабораторных исследований мы получили снижение вязкости нефтяной эмульсии (нефть+пластовая вода) за счет разрушения ее реологической структуры и гомогенизации.

Лабораторные исследования проводились в три этапа, оценка:

• исходной вязкости;
• влияния акустической обработки на нагрузку перекачивающего нефтяную эмульсию насоса до и после обработки;
• снижения вязкости нефтяной эмульсии после акустической обработки и время восстановления исходной вязкости.

Для оценки вязкости использовали стеклянный сосуд с выходным отверстием 4 мм. Объем отбираемых проб составляет 100 мл. Оценка времени истечения нефтяной эмульсии оценивалась исходя из скорости истечения 75 мл пробы. Все пробы выдерживались в помещении температурой 22 С. При нагреве пробы в процессе акустической обработки производили охлаждение до 22 С, после чего производили замер вязкости.

Испытательный стенд представлен ультразвуковым реактором (стержневой излучатель с магнитостриктором в цилиндрической емкости) и генератором УЗГ-5. Циркуляцию охлаждающей жидкости обеспечивает циркуляционный насос.

1 ЭТАП. Замер скорости истечения исходного образца нефтяной эмульсии из вискозиметра. Температура эмульсии 22 С.

Проба	Замер	Объем, мл	Температура, С	Время истечения, сек
исходная эмульсия	1	75	22	92
	2	75	22	94
	3	75	22	92
	4	75	22	98

В ходе работ произведена оценка вязкости исходного образца нефтяной эмульсии. Средняя скорость истечения составила 94 секунды при температуре исходного образца 22С (абсолютная погрешность +/-2 секунды, относительная погрешность 2%).

2 ЭТАП. Испытания по оценке нагрузки на циркуляционный насос при исходной вязкости и после ультразвуковой обработки.

Цель – оценить нагрузку на циркуляционный насос при исходной вязкости и после акустической обработки с сохранением температуры обрабатываемого образца.

Температура исходного и обработанного образцов 22С. Объем образца для акустической обработки 800 мл.

Замер нагрузки насоса при циркуляции исходного образца.

Замер	U, В	J, А	Темп, С	Мощность, Вт
1	24	2,76	22	66
2	24	2,8	22	67
3	24	2,87	22	69
4	24	2,84	22	68

Среднее значение тока J=2.817 А, мощности 68 Вт. Абс.погрешность +/- 0,0375 А, относительная погрешность 1,3%.

Замер нагрузки насоса при циркуляции образца, обработанного ультразвуком в течение 60 секунд.

Замер	U, В	J, А	Темп, С	Мощность, Вт
1	24	1,7	22	41
2	24	1,73	22	42
3	24	1,76	22	42
4	24	1,8	22	43

Среднее значение тока J=1,747А, мощности 42 Вт. Абс.погрешность +/- 0,0325 А, относительная погрешность 1,2%.

Установлено влияние на нагрузку перекачивающего нефтяную эмульсию насоса, при акустической обработке в течение 60 секунд снижение нагрузки составило 38%.

3 ЭТАП. Проведение испытаний по оценке вязкости в зависимости акустического воздействия с сохранением постоянной температуры. Оценка времени восстановления вязкости.

Цель – установить зависимость изменения вязкости нефтяной эмульсии от акустического воздействия и оценить время восстановления вязкости (релаксация).

Температура исходного и обработанного образцов 22С. Объем образца для акустической обработки 800 мл.

Замер вязкости (времени истечения) нефтяной эмульсии после 60 секунд акустической обработки.

Время после УЗО, час	0	1	2	3	4	5
Исходная вязкость при Т=22С	94	94	94	94	94	94

Акустическая обработка 60 секунд, Т=22С

Замер 1. Время истечения, сек	65	69		75	84	97
Замер 2. Время истечения, сек	67	71	64	73	82	93
Замер 3. Время истечения, сек			70
Среднее значение, сек	66	70	67	74	83	95

Абс.погрешность +/- 2 сек, относительная погрешность 2%.

Акустическая обработка 300 секунд, Т=22С

Замер 1. Время истечения, сек	62	65	65	93	93
Замер 2. Время истечения, сек	68	64	64	91	91
Замер 3. Время истечения, сек		68	68
Среднее значение, сек	65	66	66	92	92

Абс.погрешность +/- 2 секунды, относительная погрешность 3%.

В ходе испытаний 3 этапа установлено снижение вязкости на 30% после обработки в течение 60 и 300 секунд. Снижение вязкости обусловлено сугубо акустическим воздействием, так как все замеры произведены при одинаковой температуре. Восстановление вязкости начинается после 2 часов отстоя, причем более длительная акустическая обработка не дала большего снижения вязкости и показала более быстрое восстановление в исходное состояние. Так же в ходе эксперимента выяснили, что устойчивость эмульсии сохраняется примерно в течение 10-12 часов.

Основные выводы:

1. При испытаниях был исключен эффект от нагрева нефтяной эмульсии акустическим воздействием. Потери энергии на нагрев дадут дополнительный эффект за счет отдачи тепла нефтяной эмульсии.
2. После обработки была получена стабильная эмульсия с сохранением состояния до 10-12 часов, с вязкостью ниже на 30% с восстановлением в течение 5 часов.
3. Получено снижение нагрузки на перекачивающем насосе на 38%, эффект достигнут без нагрева нефтяной эмульсии.
4. При обработке нефтяной эмульсии в слабом акустическом получили более быстрое разделение воды и нефти.
5. Использовался излучатель с акустической мощностью 1 кВт. Есть более мощные акустические системы, которые можно применить в промышленных условиях.
6. Необходимо провести дополнительные испытания с акустической обработкой временем экспозиции менее 1 минуты, на более высоких частотах и с более мощными акустическими излучателями.

Фокусированное акустическое воздействие (ФАВ) на призабойную зону пласта (ПЗП) является экологически чистой технологией для увеличения приемистости нагнетательных и интенсификации притока добывающих скважин.

Снижение проницаемости призабойной зоны пласта происходит в основном вследствие:

• проникновения в поровое пространство пласта фильтрата бурового раствора, механических примесей закачиваемой жидкости или жидкости глушения; отложения на поверхности поровых и перфорационных каналов высоковязких компонентов нефти и глинистых частиц;
• образования на поверхности поровых каналов неподвижных пленок жидкости, которые включают в себя адсорбционный и частично диффузионный подслои.

Эффективность акустического воздействия на призабойную зону пласта обусловлена созданием значительных инерционных сил в жидкости, интенсивных течений на разделах фаз «твёрдое тело-жидкость», которые в коллекторе реализуются в виде внутрипоровой турболизации жидкости, что приводит к отрыву механических частичек и высоковязких отложений от поверхности перфорационных каналов и порового пространства. Кроме того, генерирование поперечного магнитогидродинамического давления позволяет увеличить эффективное сечение поровых каналов за счет срыва застойных поверхностных пленок жидкости. Таким образом, акустическое воздействие позволяет восстановить или увеличить проницаемость призабойной зоны пласта.

Технология ФАВ основана на акустическом воздействии на призабойную зону скважины и пласт частотами звукового и ультразвукового диапазонов и способствует очистке перфорационных каналов и прискважинной зоны пласта от кольматирующего материала, срыву поверхностных слоев жидкости, увеличению охвата пластов заводнением, повышению интенсивности вытеснения нефти вытесняющим агентом, изменению фазовых проницаемостей флюида, ускорению гравитационного разделения нефти и воды