Perforation of oil and gas wells by a high-velocity jet of polymer solution

• Autorzy: Pogrebnyak Volodymyr G. , Chudyk Igor I. , Pogrebnyak Andriy V. , Perkun Iryna V.

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.01.01

Warianty tytułu

PL

Perforacja odwiertów ropnych i gazowych za pomocą strumienia roztworu polimeru o dużej prędkości

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work is devoted to the development of a technological process for perforating oil and gas well casing strings by a highvelocity jet of a polymer solution. The proposed method of well perforation refers to methods for the secondary opening of productive deposits in the well by hydrojet perforation of the casing strings, annulus cement ring (stone) and rock. The new knowledge about the dynamics of polymer solutions under the conditions of flow through the jet-forming nozzles of a hydroperforator, which create a high-velocity jet, became the main scientific basis for this method of hydroperforation of oil and gas well casings. The study of the reaction of polymer solutions to the hydrodynamic effect with stretching led to the formulation of a structural concept, the “common denominator” of which is a strong deformation effect of the hydrodynamic field on macromolecular coils, which in terms of nonequilibrium thermodynamics generates a kind of rubber-like high elasticity. The peculiarities of the hydrodynamic behaviour of aqueous solutions of polyethylene oxide (PEO) during flow under the conditions of various nozzle jets were modelled, and the regularities of the influence of the resulting dynamic structures on the efficiency of hydrojet water–polymer perforation were established. The mechanism of hydrojet water–polymer perforation of casing columns in oil and gas wells was clarified. The mechanism of the large destructive capacity of a high-velocity polymer solution jet is not due to the reduction of turbulent friction by small polymer additives (the Toms effect), but consists in the destructive action of the dynamic pressure of the water–polymer jet “reinforced” by highly developed macromolecular coils and the dynamic structures formed under the action of extended flow in the inlet section of the hydroperforator nozzles. The method of perforating oil and gas well casings comprises the exact determination of the perforation zone in lowering on production tubing a hydroperforator with 2–4 jet flow-forming nozzles for directing hydrojet to the zone of perforation, sealing the inside cavity of tubing pipes and the jet operators, actuating a ball valve at the bottom of the jet operators, sealing the annulus with a self-sealing gland and supplying the working cutting fluid to the tubing – which differs in that the aqueous solution of PEO used as a working cutting fluid has a molecular weight of 6 · 106 and a concentration 0.003–0.007% by weight and a working pressure of 100–300 MPa. The PEO additives are very environmentally friendly because this polymer is not harmful to humans or the environment. Experimental and industrial testing of this method of well perforation, which was carried out during the secondary opening of a reservoir at a well in the Carpathian oil- and gas-bearing region, confirmed the practical and economic feasibility of its use.

PL

Praca poświęcona jest opracowaniu procesu technologicznego perforacji kolumn rur okładzinowych odwiertów ropnych i gazowych za pomocą strumienia roztworu polimeru o dużej prędkości. Zaproponowana metoda perforacji odwiertów odnosi się do metod wtórnego udostępniania złóż produkcyjnych za pomocą hydroperforacji kolumny rur okładzinowych, płaszcza cementowego (kamień) i skały. Uzyskana nowa wiedza na temat dynamiki roztworów polimerów w warunkach przepływu przez dysze strumieniowe hydroperforatora, które tworzą strumień o dużej prędkości, stała się główną podstawą naukową dla tej metody hydroperforacji rur okładzinowych w odwiertach ropnych i gazowych. Badanie reakcji roztworów polimerów na efekt hydrodynamiczny z naprężeniem pozwoliło na sformułowanie koncepcji strukturalnej, której podstawą jest silny wpływ odkształcenia pola hydrodynamicznego na kulki wielkocząsteczkowe, co w warunkach termodynamicznej nierównowagi generuje swego rodzaju „podobną do gumy” wysoką elastyczność. Zbadano osobliwości hydrodynamicznego zachowania się wodnych roztworów tlenku polietylenu (PEO) w modelowych warunkach podczas przepływu przez różne dysze tworzące strumień oraz ustalono prawidłowości dotyczące wpływu utworzonych struktur dynamicznych na efektywność hydroperforacji strumieniem woda–polimer. Wyjaśniono mechanizm hydroperforacji kolumn rur okładzinowych strumieniem wodno-polimerowym w odwiertach ropnych i gazowych. Mechanizm dużej zdolności niszczącej strumienia roztworu polimeru o dużej prędkości nie wynika ze zmniejszenia oporów w warunkach przepływu turbulentnego przez małe dodatki polimeru (efekt Tomsa), ale polega na niszczącym działaniu ciśnienia dynamicznego strumienia woda–polimer „wzmocnionego” przez silnie rozwinięte wiązki makromolekularne i struktury dynamiczne powstające w wyniku działania wydłużonego przepływu w sekcji wlotowej dysz hydroperforatora. Metoda perforacji rur okładzinowych odwiertów ropnych i gazowych polega na dokładnym określeniu strefy perforacji, opuszczaniu na rurach wydobywczych aparatu perforacyjnego z 2–4 dyszami formującymi strumień w celu skierowania przepływu w strefę perforacji i uszczelnieniu wnętrza rur wydobywczych. Następnie operatorzy perforatora uruchamiają zawór kulowy umieszczony w jego dolnej części, następuje uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej samouszczelniającą dławnicą i doprowadzenie cieczy roboczej do rur. Jako płyn roboczy używany jest wodny roztwór tlenku polietylenu o masie cząsteczkowej 6 · 106 i stężeniu 0,003–0,007% wag. i pod ciśnieniem roboczym 100–300 MPa. Dodatki PEO są bardzo przyjazne dla środowiska, ponieważ polimer ten nie jest szkodliwy dla ludzi ani środowiska. Doświadczalne i przemysłowe testy tej metody perforacji odwiertów, które przeprowadzono podczas wtórnego udostępnienia złoża ropno-gazowego w jednym z odwiertów rejonu karpackiego, potwierdziły zasadność jej wykorzystania pod względem praktycznym i ekonomicznym.

Słowa kluczowe

EN

hydroperforator; casing string; polymer solution; supramolecular structure; nozzles; Toms effect

PL

hydroperforator; kolumna rur okładzinowych; roztwór polimeru; struktura supramolekularna; dysza; efekt Tomsa

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 1
• Strony: 3--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz.

Twórcy

autor

Pogrebnyak Volodymyr G.

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

autor

Chudyk Igor I.

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

autor

Pogrebnyak Andriy V.

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

autor

Perkun Iryna V.

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

Bibliografia

• Atanov H.A., 1987. Gidroimpulsnye ustanovki dliya razrusheniiy gornykh porod. Monografiya, Wydawnictwa Vyshcha shkola, Kiev, 152.
• Azzam P., Rjanova А.В., Svitasheva K.K., 1981. Ellipsometriya i polyarizovannyj svet. Monografiya, Wydawnictwa Mir, Moskva, 583.
• Bredshou P., 1974. Vvedenie v turbulentnost i ee izmerenie. Monografiya, Wydawnictwa Mir, Moskva, 278.
• Brenner V.A., Jabin A.B., Pushkarev A.E., Sycheholev M.M., 2000. Gidrostrujny`e tekhnologii v promyshlennosti. Gidromekhanicheskoe razrushenie gornykh porod. Monografiya, Wydawnictwa Akad. Gornykh Nauk, Moskva, 343.
• Brestkin Yu.V., 1987. Dynamic coil–extended chain phase transition in the longitudinal field. Acta Polymerica, 38(8): 470–477.
• Brestkin Yu.V., Ahranova S.F., D’iakova N.Е., Pogrebnyak V.G., Tverdokhleb S.V., 1989. Bire-fringence effects of polymer-solutions in hydrodynamic fields. Vysokomolekulyarnye Soedineniya Seriya B, 31(11): 844–846.
• Cantwell B.I., 1981. Organized motion in turbulent flow. Ann. Rev. Fluid. Mech., 13: 457–519.
• Chornyj М.І., Chornyj О.М., Metoshop І.М., Kuzin І.М., 2013. Heolohichni osnovy rozkrittia i viprobuvannia produktyvnykh plastiv. Navchalnyji posibnyk. Wydawnictwa IFNTUNG, Ivano-Frankivsk, 306: 147–154.
• Diment O.N., Kazanskii K.S., Miroshnikov А.М., 1976. Glikoli i drugiye proizvodnye okisey etilena i propilena. Monografiya, Wydawnictwa Khimiya, 374.
• Frenkel S.Ya., El’iashevich H. K., Panov Yu. N., 1970. Kontsentrirovannye rastvory polimerov Uspekhi khimii i fiziki polimerov. Wydawnictwa Khimiya, Moskva, 87–138.
• Hlesdorf P., Prigojin I., 2003. Termodinamicheskaya teoriya struktury, ustoychivosti i fluktuatsii. Monografiya, Wydawnictwa URSS, 280.
• Ivanyuta Yu.F., Naumchuk, N.V., Pogrebnyak V.G., Frenkel S.Ya., 1985. Flow structure of aqueous solutions of polyethylene oxide in the inlet region of short capillaries. Journal of Engineering Physics, 49(4): 1192–1197.
• Keller А., Odell J.A., 1985. The extensibility of macromolecules in solutions, a new focus for macromolecular science. Colloid. Polym. Sci., 263(3): 181–201.
• Kryvenko G., Perkun I., 2017. The nature of Hydrodynamic Drag Reduction of Oil Flow in Pipelines by Polymer Additions. Petroleum Science and Engineering, 2(3): 79–85. DOI: 10.11648/j.pse.20170102.12.
• Kudin A.M., 1972. On the sizes of associates in solutions of polymers that reduce the hydrodynamic resistance. Hydromekhanika, Wydawnictwa Science Dumka, Kiev, 20: 82–87.
• Kuzmin R.A., Tihomirov R.A., Kravchenko D.V., 2002. O preimushchestvakh gidrorezaniya materialov struey zhidkosti s dobavkami vodorastvorimykh polimerov. Aerokosmicheskie tekhnologii i obrazovanie na rubezhe vekov. Materialy Vserossiyskoy Nauchno- -Tekhnicheskoy Konferenczii. Wydawnictwa RGATA, Rybinsk, chast` 2: 53–54.
• Pilipenko V.N., 1980. Vliyanie dobavok na pristennye turbulentnye techeniya. Itogi Nauki i Tekhniki. Ser. Mekhanika Zhidkosti i Gaza. Wydawnictwa VINITI, Moskva, 15: 156–257.
• Pogrebnyak A.V., 2008. Vysokoeffektivnoe gidrorezaniye tverdykh pishchevykh produktov i materialov. Upravleniye relogicheskimi svoystvami pishchevykh produktov. Wydawnictwa MGUPP, Moscow: 173–179.
• Pogrebnyak A., Chudyk I., Pogrebnyak V., Perkun I., 2019. Coil-uncoiled chain transition of polyethylene oxide solutions under convergent flow. Chemistry and Chemical Technology, 13(4): 465–470. DOI: 10.23939/chcht13.04.465.
• Pogrebnyak A.V., Perkun I.V., Pogrebnyak V.G., 2017. Degradation of Polymer Solutions in a Hydrodynamic Field with a Longitudinal Velocity Gradient. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 90(5): 1219–1224. DOI: 10.1007/s10891-017-1677-8.
• Pogrebnyak A.V., Perkun I.V., Pogrebnyak V.G., Shimanskii V.Y., 2021. Thermal Effects in the Flow of a Polymer Aqueous Solution Through a Hydrocutting Jet-Forming Head. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 94(1), 137–142. DOI: 10.1007/s10891-021-02281-1.
• Pogrebnyak V.G., Ivanyuta Yu.F., Frenkel S.Ya., 1992. Structure of the hydrodynamic field and strain behavior of flexible macromolecules in convergent flow. Vysokomolekulyarnye Soedineniya, Seriya A,34(3): 133–138.
• Pogrebnyak V.G., Ivanyuta Yu.F., Naumchuk I.V., 1991. Unrolling of macromolecules under wall turbulence conditions. Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal, 61(6): 925–927.
• Pogrebnyak V.G., Naumchuk N.V., 1992. Dynamic structurization in solutions of hydrodynamically active polymers. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 63(2), 763–765. DOI: 10.1007/BF00861695.
• Pogrebnyak V.G., Naumchuk N. V., 1995. On the hydrodynamic activity of polymers in high-velocity flowsю. Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal, 68(1): 146–148.
• Pogrebnyak V.G., Pogrebnyak A.V., Perkun I.V., 2021. Maxwell fluid flow in system supplying hydrodynamically active polymer to boundary layer of streamlined object. Mathematical Modeling and Computing, 8(1): 58–68. DOI:10.23939/mmc2021.01.058.
• Povkh I.L., Pogrebnyak V.G., Toryanik A.I., 1979. Relation between molecular structure of polyethyleneoxide and drag reduction. Journal of Engineering Physics, 37(4): 1131–1136.
• Salyanov V.I., Skuridin S.G., Lortkipanidze G.B., Pogrebnyak V.G., Chidzhavadze Z.G., Toryanik I.A., Evdokimov Y.V., 1978. Relation between molekular-strukture of aqueous-solutions of polyethylene-glycol and comhaction of double-standed DNK-molecules. Molekulyarnaya Biologiya, 12(3): 485–495.