Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические основы метода излучения сейсмических волн с использованием газового взрыва в скважине 16
1.1. Параметры волнового поля при детонации газовой смеси в скважине 16
1.2. Проблемы инициирования детонации воздушно-топливной смеси 28
1.2.1. Общие положения 28
1.2.2. Переход горения в детонацию 31
1.2.3. Влияние начальных Р-Т параметров на детонационную способность и длину преддетонационного участка -. 35
1.2.4. Перевод детонации из каналов малого диаметра в большие. 36
2. Разработка скважинного генератора сейсмических волн и его лабораторная апробация 39
2.1. Разработка конструкции установки 39
2.2. Методические вопросы измерения скорости детонационной волны 56
2.3.Результаты исследования режимов работы СГСВ... 61
3. Полевые испытания СГСВ 75
3.1. Методические вопросы 75
3.2. Исследование сейсмической эффективности СГСВ 85
4. Использование сгсв для воздействия на трещиноватый коллектор 98
4.1. Изменение свойств трещиноватых коллекторов при динамическом воздействии 98
4.2. Динамическое воздействие на трещину в гранитном массиве 109
4.3. Эксперименты в массиве известняка 113
Заключение 123
Литература
- Проблемы инициирования детонации воздушно-топливной смеси
- Переход горения в детонацию
- Методические вопросы измерения скорости детонационной волны
- Динамическое воздействие на трещину в гранитном массиве
Введение к работе
Как в сейсморазведке, так и при решении ряда прикладных задач геофизики и геомеханики, бывгает необходимо получать высокочастотные (десятки герц) многократно повторяющиеся сейсмические импульсы с амплитудой в группе объемных волн до IO'ViO^cm/c на расстояниях от источника порядка тысячи метров.
Перед сейсморазведкой, как в рудной, так и в инженерной геологии, обычно ставятся задачи, связанные с изучением объектов, залегающих на сравнительно небольших глубинах. В рудной геологии сейсмические исследования проводятся с целью картирования фундамента, прогнозирования состава пород, трассирования различного рода неоднородностей для выявления зон, перспективных на руды. В инженерной геологии - это детальное исследование грунтов при строительстве гидротехнических сооружений или промышленных объектов, определение уровня грунтовых вод и др. Основное значение при инженерных работах имеет изучение физических, и том числе упругих параметров среды. Отсюда вытекает необходимость определения скоростей как продольных, так и поперечных волн.
Именно использование поперечных волн дало возможность значительно полнее расшифровать явление анизотропии скоростей в горных породах и связать его с пространственной поляризацией поперечных и обменных волн. Применение метода преломленных поперечных и отраженных волн получило интенсивное развитие и в связи с поисками новых месторождений нефти и газа при изучении осадочных отложений. Ещё более полную информацию об изучаемых объектах даёт комбинированный метод с использованием волн различных типов (многоволновая сейсморазведка). В частности, при помощи многоволнового варианта метода отраженных волн оказалось возможным достаточно корректно вычислить пластовые значения коэффициента Пуассона и выявить отчётливую связь последнего с нефтегазоносностью разреза [20,70]. При картировании кристаллического фундамента под наносами путём комбинирования волн различных типов убедительно показана более высокая точность выделения блоков небольших размеров, в том числе с малой амплитудой вертикальных подвижек ,
особенно когда одновременно используются кинематические и динамические признаки записи, включая изменение поляризации [24, 70].
Развитию способов возбуждения колебаний и методов обработки информации посвящены труды Н.Н.Пузырева, С.В.Гольдина, А.С.Алексеева, И.С.Чиченина и многих других исследователей [4,5,20,21,60, 69-71, 87 и др.].
Методы традиционной взрывной сейсморазведки отработаны и позволяют.-,. решать, разнообразные задачи. Однако известны некоторые недостатки этого-способа возбуждения сейсмических колебаний. В наиболее распространенном случае - взрыв ВВ в неглубокой скважине заполненной водой - основная энергия колебаний сосредоточена в группах продольных и поверхностных волн. Повторное использование скважины часто оказывается невозможным из-за ее разрушения. Да и при сохранности скважины, время на ее повторное снаряжение довольно велико. Это ограничивает возможности использования взрывных источников в тех случаях, когда требуется многократное повторение опыта (например при использовании метода накопления в сейсморазведке или при вибрационном воздействии на горный массив). Кроме того, необходимость использования взрывчатых веществ, требует соблюдения особых мер безопасности. Именно последний недостаток во многом инициировал развитие вибросейсмических методов разведки.
В вибрационной сейсморазведке колебания возбуждаются приложением переменных во времени нагрузок непосредственно к поверхности грунта. Излучающим элементом вибратора является жёсткая металлическая плита, которая под действием развиваемых і им сил приводится в движение в вертикальной или горизонтальной плоскости в ^зависимости от типа возбуждаемых волн. Трассы виброграмм имеют вид протяженных квазисинусоидальных колебаний, не связанных напрямую с какими-либо границами раздела. С помощью математической процедуры вычисления взаимной корреляции между зарегистрированными и посылаемыми в грунт колебаниями отраженные, преломленные и другие волны сжимаются в волновые импульсы, схожие с сейсмическими сигналами от импульсных источников. Наряду с неоспоримыми преимуществами вибрационных .источников, эта технология имеет и ряд недостатков, к числу которых необходимо отнести достаточно, сложную технику, весьма дорогое оборудование, а также наличие специфических для вибрационной
сейсморазведки помех, обусловленных особенностями передачи нагрузок среде и побочными максимумами сжатых импульсов. Первые вызваны нелинейными искажениями в системе вибратор-грунт, особенно на низких частотах, гармоники которых попадают в полосу регистрируемых частот. Частотные характеристики колебаний, возбуждаемых вибратором, могут достаточно резко изменяться вдоль профиля в зависимости от жесткости грунта и условий контакта опорной плиты с грунтом. Кроме того, условия контакта изменяются и в процессе проведения одного сеанса. В силу этого возникает необходимость разработки способов компенсации неидентичности возбуждаемых колебаний. Опыт вибросейсмических исследований свидетельствует также о том, что вибраторы зачастую не обеспечивают, в отличие от импульсных скважинных источников, качественного выделения глубоких горизонтов, что требует, в свою очередь, применения избыточных систем наблюдений в полевых условиях и тщательного выбора опорного сигнала. Это связано, в том числе, и с довольно низкой амплитудой волны, излучаемой поверхностным вибрационным источником.
Как отмечалось выше, многие современные методы основаны на использовании поперечных волн. Попытки применения специальных методов для излучения интенсивной поперечной волны во взрывной сейсморазведке предпринимались достаточно давно [44,70,71]. Как правило, для этих целей использовались специальные схемы подрыва зарядов, что в большинстве случаев оказывается нетехнологичным.
Наиболее широко применяются поверхностные и приповерхностные источники. Но при этом значительная доля энергии источника поглощается верхними мягкими слоями. Для заглубленных источников неблагоприятным фактором является необходимость производить воздействие, как правило, во влагонасыщенных породах. В этих условиях резко возрастает интенсивность продольных волн, возбуждаемых осесимметричной частью воздействия, а создание на глубине неоднородностей для обеспечения достаточно высокой искусственной направленности становится технически сложным и трудоёмким. Поэтому в основном все взрывные источники (барьерно-щелевые, траншейные и камуфлетные разных типов) являются поверхностными. Скважинные же (кольцевые, роторные и др.) требуют большого времени на свою оснастку. [70, 78].
Более успешным оказалось применение для этих целей мощных поперечных вибраторов, однако им присущи все недостатки описанные выше. Кроме того, необходимо отметить весьма высокую стоимость этих агрегатов (свыше полумиллиона долларов).
Таким образом, задача создания компактного и эффективного источника поперечных волн по-прежнему является актуальной.
Другой интересной областью применения вибрационных источников является технология воздействия на коллекторы углеводородов.
В настоящее время существует целый ряд экспериментальных свидетельств влияния слабых вибрационных воздействий на режим флюидных систем. Изучение этого вопроса проводилось рядом исследователей Г.Г.Вахитовым, В.П.Дыбленко, И.Г. Кисейным, Г.Г.Кочаряном, О.Л.Кузнецовым, М.В.Курленей, А.В.Николаевым, В.Н.Николаевским, Д.Г. Осикой, С.В.Сердюковым, Э.М.Симкиным и др. [15, 16, 23,27, 34, 41-43, 45-50, 64-67, 77,79-83 и др.].
Во многих упомянутых публикациях, сообщается об изменении различных характеристик месторождений углеводородов в результате вибрационного воздействия на пласт. В результате воздействий, хотя и не регулярно, наблюдалось некоторое увеличение продуктивности скважин, увеличение процентного содержания нефти в добываемой жидкости, изменение свойств пластовых флюидов и т.д. Более яркими являются примеры резкого изменения режима флюидных систем при воздействии удаленных землетрясений. Многочисленные данные о подобных событиях собраны в монографии [67].
Разработка и совершенствование методов вибрационного воздействия на горный массив может иметь большое значение для интенсификации добычи углеводородов, а также для стимуляции водозаборных и нагнетательных скважин. Применение и развитие подобных методов сдерживается тем обстоятельством, что использование поверхностных вибраторов во многих случаях оказывается неэффективным, поскольку значительная часть энергии излучается в виде поверхностных волн, а также диссипируется в низкоскоростном поверхностном слое.
Существующие способы интенсификации нефтедобычи можно разделить на два класса - методы воздействия на призабойную зону скважины и методы «площадного» воздействия на коллектор.
Призабойная зона — это особая часть общей пластовой гидродинамической системы месторождения нефти и газа, которая обычно простирается на несколько метров от стенки скважины. Этот участок массива находится в существенно неравновесном состоянии, фазе активного энерго- и массообмена между скважиной и пластом, причем свойства призабойной зоны непрерывно изменяются в ходе разработки месторождения. Несмотря на свои относительно малые размеры, эта область в большой степени определяет успешность разработки всей продуктивной залежи.
Существующие методы воздействия на призабойную зону можно разделить на механические, химические и термодинамические. Здесь мы ограничимся рассмотрением, главным образом, методов первой группы.
Впервые метод обработки призабойных зон нагнетательных и добывающих скважин, использующий виброволновое воздействие, был испытан на нефтяных промыслах еще в 60-х годах, и сразу же были получены достаточно обнадеживающие данные по его технологической эффективности. На нефтяных месторождениях СССР начали применять воздействие упругими колебаниями на призабойную зону пласта с помощью спускаемых в скважины различных забойных устройств. Наибольшее распространение получили генераторы, использующие для работы гидродинамический напор закачиваемой в скважину технологической жидкости (вода, растворы ПАВ, нефть, растворители, кислоты и др.). Это, например, известные вибратор ГВЗ золотникового типа конструкции МИНГ, вставной пульсатор ПВ-54 клапанного типа конструкции ТатНИПИнефти. Так, по данным МИНГ за период с 1967 по 1985 г. с помощью вибратора ГВЗ-108 проведено около 6000 обработок скважин. Успешность работ составила 70%. Продолжительность эффекта 1-1,5 года. Общий прирост добычи нефти по ним превысил более 5 млн. т., увеличение приемистости по нагнетательным скважинам 15 млн. м3 [23].
В ИГД СО АН СССР проводились работы по разработке электромагнитного скважинного виброисточника, работающего на электроэнергии, подводимой по кабелю с устья скважины [23,79].
Особую группу составляют забойные ударно-импульсные воздействия. К ним относятся термогазохимическое воздействие (ТГХВ), разрыв пласта давлением пороховых газов, виброфрак, стереофрак, воздействие гидроимпульсами, создаваемыми взрывами газообразных смесей, электрргидравлическое воздействие, ударное воздействие резким снятием давления с пакера или на устье скважины, создание управляемых депрессий и др. Среди этих методов наибольшее применение на месторождениях России, а также стран СНГ получили ТГХВ воздействие с помощью аккумуляторов давления АДС и разрыв пласта с помощью пороховых генераторов ПГДБК. [23,84].
Успешность внедрения методов ТГХВ в среднем составила около 60% в эксплуатационных скважинах (по 1036 обработкам) и около 70 % в нагнетательных скважинах (по 270 обработкам). В среднем на одну успешную обработку добыто около 900 т нефти, дополнительно закачано воды 34 тыс. м3. Средняя продолжительность эффекта 8 мес. При использовании генераторов ПГДБК на 400 скважинах успешность составила 70 %, дополнительная добыча нефти в среднем по успешным обработкам достигла 500 т, продолжительность эксплуатации скважин с повышенным дебитом до 2,5-5 лет [23].
Время горения пороховых зарядов АДС исчисляется секундами, но может достигать и 200с, не считая последующего времени пульсации газового пузыря. Давление на забое скважины растет достаточно медленно и не должно приводить к разрыву пласта. АДС оказывает импульсное гидравлическое, тепловое и физико-химическое воздействия. При горении пороховых зарядов ПГДБК время действия максимального давления составляет доли секунды, общее время воздействия с учетом пульсации газового пузыря 10-20 с, значение максимального давления может в два раза превышать горное давление. В радиусе 5-6 м от скважины образуется несколько разветвленных трещин, которые не смыкаются после снятия давления, поэтому, в отличие от гидроразрыва, нет необходимости закрепления их проппантом.
На нефтяных месторождениях Техаса в 1958 г. впервые был успешно применен способ разрыва пласта, получивший название "виброфрак". Сущность метода заключается в создании в ПЗП ударных волн особой конфигурации, за счет размещения специальных зарядов. В отличие от обычных взрывов ВВ, при виброфраке периодически следующие по времени пики давления заставляют образовывающиеся трещины вибрировать - смыкаться и расширяться, что приводит к гораздо более значительному последующему увеличению проницаемости ПЗП. Разновидностью виброфрака является стереофрак, где применяется специальная фокусировка кумулятивных зарядов. [23]
Несмотря на успешные результаты испытаний, широкое распространение импульсно-ударных методов на месторождениях в геолого-промысловых условиях, основанных на использовании взрывчатых веществ, сдерживается их невысокой эффективностью, недостаточной надежностью и весьма существенными проблемами безопасности.
К импульсно-ударным методам также относится электрогидравлический (ЭГВ) метод обработки скважин, где для получения импульсов давления используется эффект от электрического пробоя скважинной жидкости между электродами скважинного устройства. Помимо электромагнитного излучения разряда и выделяющегося тепла, в скважинной жидкости образуются импульс давления, газопаровая полость и ее последующее пульсирующее схлопывание. Метод прошел испытания на месторождениях России, СНГ, в США - в штате Техас. Так, например, на месторождениях АНК "Башнефть" 60 % обработок оказались успешными, с длительностью эффекта в среднем более 7 мес. Дополнительная добыча нефти на одну обработку в среднем составила свыше 200т. Наилучший эффект был достигнут при обработках скважин, в которых снижение продуктивности было вызвано отложениями минеральных солей на стенках обсадной колонны скважины и в ПЗП. [40]
Метод ЭГВ не получил широкого распространения из-за невысокой эффективности, в особенности при его использовании на глубоких скважинах. Это объясняется тем, что для образования разряда и газопаровой полости в жидкости требуется напряжение в десятки тысяч вольт, с ростом глубины и давления в жидкости необходимо все больше увеличивать подаваемое
напряжение. При этом, соответственно, значительно возрастают электрические потери в кабеле.
На артезианских скважинах г. Минска был испытан гидроимпульсный метод Белорусского политехнического института [30] Метод основан на использовании энергии взрыва смеси водорода и кислорода, которую получают электролизом воды на забое скважины [29]. Способ успешно опробован на 20 неглубоких артезианских скважинах, при этом их дебиты возросли в 1,5-2,5 раза. На более глубоких скважинах он не нашел применения из-за резкого снижения его эффективности с увеличением глубины скважин.
Известны, также, способы механического воздействия на пласт, в которых повышение нефтеотдачи достигается путем нанесения периодических ударов по забою скважины [12,13].
Для «площадного» воздействия на коллектор применяются, главным образом, воздействие на пласт сейсмическими колебаниями.
В Институте Физики Земли АН СССР и Кубанском государственном университете в 70-80 годы были систематизированы многолетние наблюдения за сейсмической активностью различных участков Земли с целью теоретического обоснования возможности направленного сейсмического воздействия с поверхности на нефтяные пласты. Этому способствовало создание относительно мощных невзрывных поверхностных виброплатформ, предназначенных для вибрационного «прозвучивания» Земли. Подобные источники работают в диапазоне частот от 5 до 100 Гц и могут развивать усилия до 100т [4,79, 87].
Единого объяснения увеличения нефтеотдачи при слабом сейсмическом воздействии до сих пор не существует.
В ряде работ механизм низкочастотного воздействия объясняется инерционными силами, возникающими вследствие разности плотностей нефти и воды. Другим вероятным механизмом может оказаться изменение капиллярного взаимодействия при вибрации пласта. Считается, что механические вибрации разрушают поверхностные пленки, адсорбированные на границах пор, тем самым, увеличивая эффективное сечение пор. Разрушение пленок происходит как в слабых, так и в интенсивных волновых полях. [15, 16, 23,43, 59,79].
В некоторых работах предполагается, что возбуждение упругими волнами может изменить коэффициент фазовой проницаемости нефти, тем самым увеличивая мобильность нефти при высоких степенях обводненности флюида [65,66].
Полагают, также, что при вибросейсмическом воздействии непрерывные потоки нефти могут образовываться из диспергированных нефтяных капель. Упругие волновые поля могут значительно уменьшить влияние капиллярных сил на фильтрацию нефти, что приводит к увеличению скорости массопереноса.
Еще один эффект, увеличивающий фазовую проницаемость нефти, - это уменьшение поверхностного натяжения и вязкости жидкостей в ультразвуковом поле, что вызвано нагреванием среды в результате ультразвукового поглощения.
Ряд возможных объяснений механизмов воздействия колебаний на двухфазную или вязкую жидкость, вероятно, нельзя считать удовлетворительными, так как существуют экспериментальные исследования, демонстрирующие воздействие вибраций на коллектор с водой, что не объясняется в рамках подобных моделей [23, 34, 77].
Причиной изменения флюидодинамики коллекторов могут являться и динамические деформации, обусловленные прохождением сейсмических волн [93]. Некоторые оценки показывают, что для получения положительного результата необходимо обеспечить достаточно интенсивные ( амплитуда в группе объемных волн ~10"34-10"4см/с ) многократно повторяющиеся импульсы сейсмических колебаний в окрестности коллектора[38]. Особенно эффективным может оказаться воздействие поперечными волнами [46].
Низкочастотные сейсмические волны, способные привести к увеличению продуктивности пласта, могут создаваться наземными вибраторами. Предполагается, что слабый эффект низкой амплитуды воздействия может быть компенсирован, до некоторой степени, увеличением времени вибрационной обработки. При вибросейсмическом воздействии на нефтепродуктивные пласты с дневной поверхности, в отличие от сейсмической разведки недр, используются, как правило, более мощные, по сравнению с сейсморазведкой, стационарные наземные источники. При этом, длительность их работы в одном месте составляет десятки и сотни часов. Конструктивно такие источники состоят из генератора колебаний
(дебалансного, гидрорезонансного, гидравлического и др. типов), установленного на излучающей платформе [23,60,79, 81, 82].
Проведенный анализ показывает, что все рассмотренные способы воздействия на ПЗП и коллектор в целом имеют те или иные недостатки.
Известные способы виброобработки нефтяных залежей с использованием источников, располагаемых в скважине, в силу низкой амплитуды воздействия ограничены по площади и эффективны лишь для призабойной зоны обрабатываемого пласта.
Методы, в основе которых лежит применение источников взрывного типа, имеет недостатками малую мощность источников, необходимость поднятия на поверхность устройства для снаряжения при последующих воздействиях, повышенную взрывоопасность компонентов устройства. Увеличению амплитуды воздействия путем применения мощных твердых или жидких ВВ препятствует опасность разрушения скважин.
Недостатками способов, в которых повышение нефтеотдачи достигается путем нанесения периодических ударов по забою скважины, являются сложность технических решений, связанная с тем, что воздействие производится ударом длинной колонны (около 1 км), помещенной в скважину и низкая амплитуда излучаемых волн напряжений.
Способ, основанный на воздействии на массив установленного на поверхности мощного вибратора, частота колебаний которого согласована с частотой собственных колебаний данного продуктивного пласта, основным недостатком имеет очень низкий КПД из-за больших потерь в амплитуде волн при их распространении от дневной поверхности, особенно через зону малых скоростей. По этой причине для накопления значимых остаточных деформаций в пласте-коллекторе, необходимо произвести очень большое число воздействий. Те же недостатки существенны для источников с расположением взрывной камеры на поверхности массива [88].
Таким образом, разработка сейсмического источника, способного совместить в себе достоинства взрывных и вибрационных технологий является актуальной задачей.
Одним из возможных источников энергии для создания подобного устройства может являться детонация воздушно-топливной смеси. Вопросы возбуждения и распространения детонации в газах изучались в большом количестве работ В.В.Адушкина, А.А.Борисова, Я.Б.Зельдовича, С.М.Когарко, В.Е.Фортова и др. [1-3,8-10, 22, 26, 62]. Опыт исследований процессов детонации газовых смесей показывает, что существует принципиальная возможность разработки «скважинного генератора, сейсмических колебаний взрывного типа». Установка должна представлять собой генератор детонационных волн, создающихся посредством взрывов топливовоздушных смесей на заданной глубине через заданные промежутки времени. Созданию такого устройства, исследованию характеристик источника и эффективности его работы посвящена настоящая работа.
Целью работы является разработка научно-методических основ технологии излучения сейсмических волн, пригодной как для долговременного динамического воздействия на горный массив, так и для сейсморазведки.
Идея работы состоит в разработке метода, основанного на использовании детонации воздушно-топливной смеси, который позволяет периодически, через заданные промежутки времени создавать волну давления в рабочем объеме, расположенном в горном массиве на требуемой глубине.
В соответствии с целью работы определены следующие задачи исследований:
Исследовать параметры волнового поля, излучаемого при детонации воздушно-топливной смеси в скважине, расположенной в плотных породах и оценить приемлемость этих параметров для выполнения поставленной цели.
Разработать конструкцию устройства для осуществления периодической детонации воздушно-топливной смеси в скважине и провести исследования, необходимые для оптимизации режимов работы установки.
Провести апробацию устройства в полевых и лабораторных условиях.
Определить сейсмическую эффективность предлагаемого метода возбуждения колебаний.
Оценить в полевых условиях эффективность долговременного, низкоамплитудного динамического воздействия на трещиноватый горный массив.
Методы исследований. Анализ и обобщение литературных данных, численное моделирование и аналитические оценки, экспериментальные методики изучения быстропротекающих процессов, современные методы сейсмометрии и цифровой регистрации, методы гидрогеологических наблюдений.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается значительным объёмом экспериментальных исследований, проведенных как в лабораторных, так и полевых условиях; применением апробированных современных методов измерения и регистрации исследуемых параметров, серийно выпускаемых- датчиков и приборов, прошедших метрологический контроль; сопоставлением экспериментальных данных с существующими представлениями, результатами численных расчетов и аналитических оценок.
Научная новизна работы заключается в следующем;
Предложен новый способ многократного возбуждения сейсмических волн в массиве горных пород и создано устройство для его осуществления.
Сконструирован и построен не имеющий аналогов экспериментальный стенд для изучения условий возбуждения и распространения детонационных волн в скважинах. Это дало возможность детально изучить физику процесса и разработать оптимальную технологию работы установки.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования сейсмического эффекта газового взрыва в скважине. Выявлены, не описанные ранее, особенности волнового поля, излучаемого подобным источником и определена его сейсмическая эффективность.
В полевых экспериментах продемонстрирована эффективность предложенного метода долговременного воздействия на трещиноватые коллекторы.
Личный вклад автора состоит
в участии в разработке идеи нового метода излучения сейсмических волн;
в разработке конструкции скважинного генератора сейсмических волн и его модификаций;
в проведении лабораторных и натурных испытаний устройства;
в непосредственном участии в проведении исследований эффекта долговременного динамического воздействия на горный массив.
Практическая ценность работы заключается в разработке нового способа излучения сейсмических волн, пригодного как для долговременного динамического воздействия на горный массив для сейсморазведки, так и в создании устройства для его осуществления.
На защиту выносятся следующие положения:
Идея метода возбуждения сейсмических колебаний путем периодической детонации воздушно-топливной смеси в скважине, расположенной в плотных породах
Особенности волнового поля, излучаемого при детонации воздушно-топливной смеси в скважине.
Базовая конструкция и модификации устройства для осуществления периодической детонации воздушно-топливной смеси в скважине.
Результаты исследований сейсмической эффективности предлагаемого метода возбуждения колебаний.
Результаты исследований эффекта долговременного динамического воздействия на трещиноватый горный массив.
Обьём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 133 страницах, включая 61 рисунок и фотографию и список литературы из 108 наименованийю.
В первой главе рассмотрены теоретические основы предлагаемого метода. Рассмотрены результаты численного моделирования волнового поля, излучаемого при детонации воздушно-топливной смеси в скважине, расположенной в плотных
породах и выполнены аналитические оценки ожидаемых параметров. Там же, на основе проведенного анализа основных закономерностей возбуждения и распространения детонационных волн в газах, сформулированы технические проблемы, решение которых является непременным условием создания скважинного сейсмического источника на основе детонации воздушно-топливной смеси
Вторая глава посвящена разработке конструкции установки и изложению результатов экспериментальных исследований различных режимов её работы с целью отработки оптимальной технологии проведения взрывов.
В третьей главе изложены методические вопросы проведения полевых испытаний разработанного генератора сейсмических волн и результаты исследований сейсмической эффективности газового взрыва в скважине.
В четвёртой главе приведены результаты теоретических оценок и экспериментальных исследований изменения характеристик нарушений сплошности массива горных пород при долговременном динамическом воздействии сейсмическими колебаниями.
Основные результаты диссертации кратко сформулированы в заключении к работе.
Апробация работы Основные положения работы докладывались на семинарах ИДГ РАН (2000-2006г.г.), научных конференциях фирмы Schlumberger (2000,2001, 2002,2005гг.), семинаре «Геофизика и геомеханика» Института геофизики СО РАН под руководством академика С.В.Гольдина. Материалы диссертации опубликованы в 13 научных статьях. По материалам диссертации получены два патента на изобретения РФ и патент Великобритании.
Работы были выполнены при поддержке грантов РФФИ №№ 98-05-64627-а; 00-05-79071-к; 01-05-64317-а; 01-05-79008-к; 02-05-79071-к; 03-05-79073-к; 04-05-65027-а; 04-05-08013-офи_а.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Г.Г.Кочаряну и научному консультанту В.Н.Костюченко за постоянное внимание и помощь при выполнении работы, а также всем сотрудникам Лаборатории деформационных процессов в земной коре ИДГ РАН за неоценимое содействие на всех стадиях выполнения работы.
Проблемы инициирования детонации воздушно-топливной смеси
Как отмечалось выше, одним из факторов, негативно влияющих на эффективность применения вибрационных источников, как в сейсморазведке, так и при работах по стимуляции нефтедобывающих скважин, является низкая амплитуда колебаний на глубине 1-2 км от свободной поверхности.
Для оценки амплитуды излучаемых вибратором сейсмических волн воспользуемся простым соотношением, полученным из анализа решений динамических упругих задач для полупространства прочных пород при воздействии на его поверхности вертикальной силы F(t) с периодом Т [63]. Максимальная скорость смещения грунта Vm на расстоянии R от источника определяется по формуле: Vm=A(v)-J-A)" (1.1)
Здесь J Fm Т/2- импульс, передаваемый грунту за период Т, р - плотность грунта, Xs = Cs Т, Cs - скорость распространения поперечных волн, A(v) - коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона v (при v=0.25-K).3 A(v)= 0.5),, п -показатель степени, определяющий затухание волны с учетом поглощения. Для диапазона глубин 1 R/A,S 10 показатель степени п можно принять равным 1.5 [72].
Полагая Fm= 105 н, р = 3 103 кг/м3, Vs=3 103 м/с при частоте/= 1/Т=30Гц на расстоянии R=1000M имеем: Ут 10"бсм/с. Аналогичную величину можно получить, применяя для оценок соотношение: V = F» f B(v), (1.2) pC2p-R" предложенное в [70]. Здесь Ср - скорость продольных волн, В(и) - зависимость амплитуды продольной волны от угла и; при и=0, В(и)=1.
Принимая для оценок Fm = 105 н, р = 3 10 кг/м3, Ср 5.5 103 м/с при частоте f=l/T=30ru,, получаем на глубине R= 1000м амплитуду скорости колебаний Vm 3 Ю-6 см/с.
Как отмечалось выше, расположение источника колебаний на слое мягкого грунта приводит к ряду негативных эффектов. В связи с этим представляется целесообразным разработать сейсмический источник, который может располагаться в скважине на определенной глубине от свободной поверхности -ниже зоны малых скоростей. При этом мощность источника может быть значительно снижена по сравнению с аналогичными, расположенными на поверхности. Так, взрыв заряда ВВ массой всего q 100r в скальной породе обеспечивает на расстоянии 1000м амплитуду массовой скорости Ут 10"4см/с. С другой стороны, ясно, что систематически проводить взрывы зарядов химических ВВ в скважине на значительной глубине или расположить там достаточно мощную механическую систему невозможно.
Взрывной источник с возможностью многократного повторения экспериментов, может быть создан на основе процесса детонации топливно-воздушной смеси в скважине, расположенной в плотных горных породах ниже зоны малых скоростей.
Рассмотрим процесс детонации воздушно-топливной смеси, закачанной в участок скважины, пробуренной в плотной горной породе ниже зоны малых скоростей. Такое расположение источника позволяет в значительной степени избежать потерь энергии колебаний при прохождении через зону малых скоростей и обеспечивает возможность распространения по массиву высокочастотных импульсов значительной амплитуды. Поскольку требования безопасности не позволяют использовать богатые смеси на основе кислорода или ацетилена, то целесообразно ориентироваться на смеси воздуха с углеводородными горючими - пропаном и метаном.
Максимальное давление в сильной детонационной волне Рт определяется по формуле: Рт„в . =-ЛЛ-в , (1.3) " и + 1 RT(n + l) } где Ро - плотность смеси, Ро -начальное давление, ц - молекулярный вес смеси, R- универсальная газовая постоянная, Т - температура, D - скорость детонации, п - показатель адиабаты продуктов взрыва.
Время / действия давления связано с длиной рабочего участка скважины L и скоростью детонации D соотношением: t - L/D.
Скорость детонации D зависит от удельной теплоты реакции q и показателя адиабаты продуктов п: D = л/2(«2 - \)q = 4 1 Для топливо- воздушных смесей при оценках можно принять: =1ккал/г=4 10бм2/сек2 , откуда Ds 2 км/с, т.е. при L = Юм, t 5 мс. Величина І/t определяет верхнюю частоту излучаемых волн, (нижняя частота определяется временем спада давления т), спектр которых лежит примерно в диапазоне от 10 до 100 Гц, т.е. подобный сейсмический источник может иметь достаточно широкий спектр.
Тротиловый эквивалент газовой детонации рабочего объема Et можно оценить следующим образом:
Е, = qM , где М - масса газовой смеси, заключенной в рабочем объеме скважины сечением S и длиной L , q - удельная теплота взрыва. При детонации воздушно-газовой смеси на участке длиной L = Юм, расположенном на глубине 100м при внешнем давлении Ро 1МПа в скважине площадью сечения S = 0.03м2 получаем Е( 3кг. Заметим, что невзрывные источники, используемые в сейсморазведке, обычно имеют тротиловый эквивалент, определяемый по сейсмической эффективности, порядка нескольких десятков грамм [78].
Таким образом, при детонации газовой смеси, сжатой в 10 раз, на участке скважины длиной около Юм выделяется достаточное количество энергии для обеспечения излучения сейсмического сигнала, по крайней мере, сопоставимого по амплитуде с сейсмическими колебаниями, излучаемыми источниками, используемыми в сейсморазведке. Важно отметить, что максимальное давление в детонационной волне при Ро ШПа составляет, согласно (1.3) величину порядка 20МПа, т.е. недостаточно для разрушения стенок скважины в скальной породе.
Переход горения в детонацию
Наличие смеси равномерного состава в границах детонационных пределов еще не гарантирует возникновения детонации. Необходимо в этой смеси инициировать прохождение ударной волны с интенсивностью, близкой к интенсивности ударного фронта детонационной волны. Возбуждение можно осуществить различными способами, например подрывом заряда ВВ, однако с точки зрения безопасности и технологичности установки, наиболее целесообразно использовать принцип ускоряющегося пламени. При этом желательно иметь источник воспламенения небольшой мощности. Энергия, выделяемая таким источником, может быть во много раз меньше энергии, которая необходима для прямого инициирования детонации, когда детонационная волна возбуждается непосредственно инициирующим импульсом. При детонации в замкнутом объеме существует минимальная длина трубопровода (обычно называемая длиной преддетонационного участка), которая необходима для ускорения пламени до такого уровня, чтобы перед пламенем смог сформироваться ударный скачок и затем произошел переход в детонацию.
Детонационные волны в замкнутых объемах не только более подробно изучены по сравнению с детонационными волнами в неограниченных объемах, но и представляют такой тип процесса, который наиболее часто и легко реализуется на практике. Это обусловлено действием стенок, которое приводит к двум до некоторой степени противоположным эффектам. Первый связан со способностью стенок генерировать турбулентность в потоке перед пламенем, что ускоряет переход горения в детонацию. Пламя, распространяющееся по детонационноспособной смеси, заполняющей трубопровод, легко ускоряется, достигая скорости звука, после чего в смеси перед пламенем образуется ударная волна. Начальная скорость пламени является функцией произведения скорости ламинарного горения Su, типичное значение которой, составляет порядка 1 м/с, на степень расширения є, равную отношению плотности реагентов к плотности продуктов (как правило, выполняется соотношение5 є 12). Ускорение пламени, начинающееся с этих умеренных скоростей, обусловлено взаимным действием турбулентности, генерируемой самим пламенем в продуктах горения, и турбулентности, создаваемой в движущемся потоке нереагирующей смеси. В результате происходит увеличение площади поверхности пламени за счет искривления его фронта и переход к турбулентному горению, скорость которого приблизительно на порядок величины превышает скорость ламинарного горения. Совместное действие указанных факторов приводит к формированию перед пламенем ударного скачка, который образуется на расстоянии около 50-60 диаметров трубы от источника инициирования [99]. Окончательный переход в детонацию происходит на расстоянии около 100 диаметров трубы. Однако турбулентность, генерируемая стенками, не только ускоряет начальные стадии процесса возбуждения детонации. Она может вызвать уменьшение скорости установившегося фронта. Этот эффект особенно четко проявляется при распространении детонационных волн в трубах, в которых была предварительно создана искусственная однородная шероховатость в виде выступов, высота которых равна 1/10 или менее диаметра трубы. Наиболее известный пример такого рода - спиральная проволока, прижатая к внутренней поверхности трубы, так называемая, спираль Щелкина. Эта проволока особенно эффективно уменьшает расстояние, на котором формируется детонационная волна, далее распространяющаяся с постоянной скоростью. При соотношении компонентов, близких к стехиометрическому, спираль, состоящая из нескольких десятков витков проволоки диаметром 1 мм с шагом 5 мм, может дать уменьшение длины преддетонациоиного участка Xd до 10 раз в трубах диаметром 10-100 мм [90].
Столь значительное уменьшение Хд означает, что спираль эффективно действует не только на начальной стадии ускорения, но также в период, следующий за образованием первичной ударной волны. На этой стадии локальные отражения ударной волны от шероховатостей могут способствовать ускорению воспламенения и образованию вторичного пламени вблизи первичного ударного фронта, тем самым, облегчая переход в детонацию.
Аналогичным образом, уменьшению длины предцетонационного участка может способствовать и т.н. "турбулизатор" (небольшой участок трубы увеличенного, по сравнению с основным, диаметра ). При этом, ввиду отражения от торцевых поверхностей этого участка, возникшая ретонационная волна догоняет прямую детонационную волну, в результате чего суммарный фронт оказывается сильно пересжатым (коэффициент усиления давления может достигать 3 ).
При конструировании установки важно знать длину предцетонационного участка. Как отмечалось выше, величина Xj в гладких трубах может лежать в пределах от 40-50 до 100 внутренних диаметров трубы. Верхний предел соответствует плоходетонирующим смесям, к которым относятся воздушные смеси углеводородов. На рис. 1.6 значками приведена экспериментальная зависимость длины предцетонационного участка в трубах с различным диаметром d для стехиометрической смеси природного газа с воздухом [62]. Сплошной линией показана зависимость Xd=0.S6-d0M,
Несмотря на значительное количество исследований данного вопроса, результаты различных авторов существенно различаются, что, вероятно, объясняется сильным влиянием на этот параметр шероховатости стенок, состава смеси, типа горючего, начального давления и температуры смеси. Кроме того, отмечается, что скорость детонационной волны, распространяющейся в топливно-воздушной смеси возрастает примерно вдвое, если диаметр трубы увеличивается от 13мм до 51мм. Это означает, что при анализе формирования детонационной волны в трубах диаметром менее 50мм следует учитывать потери энергии, которые увеличиваются с уменьшением проходного сечения [62]. В связи с вышесказанным, при конструировании установки диаметр и длину детонационной трубы следует подбирать экспериментально.
Методические вопросы измерения скорости детонационной волны
Ионизационные датчики, устанавливаемые в скважину в полевых условиях, имели несколько другую конструкцию, и вывод от них выполнялся специальным термостойким кабелем. Датчики и кабели укреплялись на дренажной трубе внутри скважины проволочными бандажами (рис.2. 106).
Примеры записей, полученных ионизационными датчиками, показаны на рис.2.11. По результатам регистрации строился годограф детонационной волны и определялась скорость ее распространения (рис.2.12). В случае хорошей детонации (сплошная линия на рис.2 Л 2) скорость фронта составляет 1.8-2км/сек. Если происходит лишь горение смеси (пунктирная линия на рис.2.12), то скорость фронта снижается до 300-500м/с. Формы эпюр также существенно различаются для случаев горения и детонации (рис.2.11а и б).
Разработанная методика позволяет контролировать качество детонации смеси по всему объему установки, как в лабораторных, так и в полевых условиях. Однако, при проведении полевых экспериментов измерительная система в глубине скважины иногда выходила из строя из-за повреждения ударной волной как самих датчиков, установленных внутри скважины, так и соединительных кабелей. В этой связи была разработана дополнительная система контроля качества детонации, в которой измерения проводятся не вдоль рабочего участка, а на входе в скважину и на выходе дренажной трубы, т.е. на свободной поверхности (рис.2.13). При этом используются датчики двух типов: ионизационные датчики и мембранные датчики давления MD-10-4-V. На рис.2.14 приведены результаты измерений ионизационным датчиком и мембранным датчиком давления, проведенные в одном из экспериментов, на выходе дренажной трубы. Из результатов измерений видно, что времена вступления волны практически совпадают при обоих методиках. Это означает, что, несмотря на то, что измерения мембранным датчиком не вполне корректны из-за ограниченной частотной характеристики ( 1000 Гц),
Для изучения процессов возбуждения и распространения детонационных волн в скважинах и исследования различных режимов работы СГСВ, а также для проработки вопросов методического характера была создана лабораторная установка, имитирующая условия распространения волн в реальных скважинах Основным элементом установки является толстостенная стальная труба диаметром 105м и длиной до 6м, к одному концу которой через соединительное устройство крепится СГСВ, а другой конец заварен наглухо. Вид установки показан на рис.2.15.
Одной из проблем, выявленных при проведении испытаний, явилось затухание детонации при длинах рабочего участка свыше 2м. Если на первых двух метрах имитатора скважины скорость распространения фронта составляла 1.8-2км/с, то затем значение D снижалось и на расстоянии около 4м от начала рабочего участка детонация затухала. Одной из причин этого могла являться неравномерность перемешивания смеси на рабочем участке при равномерном расположении выпускных отверстий через каждые 10см вдоль топливной магистрали.
Для исследования этого вопроса была проведена специальная серия экспериментов. На выпускные отверстия газовой магистрали через специальные приспособления были надеты тонкие резиновые оболочки, не создающие противодавления, которые надувались при выпуске газа. Количество газа, выходящего из отверстия, оценивалось визуально по результатам видеосъемки. В ходе экспериментов количество выпускаемого газа и его давление менялись в широких пределах. На рис.2.16 приведен пример подобного эксперимента, проведенного на магистрали длиной 2м. На фотографиях показаны отверстия 1 (начало магистрали), 10 и 11 (середина), 19 и 20 (конец магистрали).
Для удобства сравнения 1 и 19 оболочки были помещены рядом. Опыты показали, что при длине магистрали 2м объем оболочек увеличивается равномерно и одновременно.
При увеличении длины газовой магистрали до 10-метров (в этом случае оболочки были размещены на 1, 2, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 99 и 100 отверстиях) картина резко изменилась. Изменение объема выпускаемого газа по длине магистрали показано на рис.2.17. Видно, что.начиная с Ь 2м расход газа через отверстие снижается примерно пропорционально расстоянию. По результатам экспериментов диаметры отверстий на газовой магистрали были изменены пропорционально количеству выпускаемого газа. Это усовершенствование конструкции дало хорошие результаты. Опыты с модифицированной газовой магистралью, показали, что скорость детонационной волны сохраняется вплоть до конца имитатора.
На созданной установке в различных сериях экспериментов были исследованы границы детонационной способности воздушно-газовых смесей разной концентрации, границы начала детонации в разгонной трубе, условия прохождения волны через конус, переводящий детонацию в трубу большего диаметра, распределение скорости распространения волны по разгонной трубе и вдоль имитатора скважины.
Динамическое воздействие на трещину в гранитном массиве
Оценки, выполненные в предыдущем разделе, дают основание полагать, что СГСВ может успешно применяться для долговременного воздействия на трещиноватый горный массив. Ниже приводятся результаты экспериментов, в которых исследовалось влияние длительного динамического воздействия при помощи установки СГСВ сравнительно малой мощности на свойства нарушений сплошности в горном массиве.
В первой серии экспериментов воздействие осуществлялось на одиночную трещину в массиве гранита. Схема проведения эксперимента представлена на рис.4.5. Измерения заключались в регистрации расхода воздуха при его продувке через шпур, пересекающий субвертикальную трещину на глубине 75см, при заданных величинах перепада давления. Они предварялись необходимыми контрольными испытаниями аэродинамических сопротивлений пневмосистемы.
В предварительно осушенный шпур диаметром 45мм опускалась стальная труба на конце которой находилось специальное устройство - герметизатор - в виде набора колец, уплотняющих зазор между трубой и стенками шпура. Герметизатор располагался в шпуре таким образом, чтобы отверстие для выхода воздуха находилось в месте пересечения шпура и исследуемой трещины.
Измерения расхода воздуха проводили на установке, состоящей из генератора давления (воздушного компрессора), ресивера с системой регулирующих устройств, обеспечивающих стабильность поддержания давления и расхода воздуха. Давление в системе измеряли образцовыми манометрами и U-образными водяными дифференциальными манометрами. Расход воздуха контролировался ротаметрами. Динамический диапазон установки 100 - 6 105 Па по давлению и 10"5 -2,910"4 м3/с по расходу воздуха. Предварительные измерения показали, что фильтрацией воздуха сквозь ненарушенный массив гранита можно пренебречь. Поэтому можно полагать, что имеет место осесимметричное плоское течение воздуха в трещину из шпура.
Анализ внешних проявлений выхода воздуха на поверхности трещины (рис.4.6) и в скважинах, пробуренных вдоль плоскости нарушения на разных расстояниях от шпура, показывает, что воздух распространяется не по всей плоскости трещины, а по отдельным каналам. Расстояние между «пятнами активного выхода воздуха» составляло 10-50 см. Внутри каждого «пятна» наблюдалось несколько (до десяти) каналов. Интенсивное истечение воздуха наблюдалось на расстояниях до нескольких метров от места пересечения шпура с плоскостью нарушения, что свидетельствует о том, что процесс фильтрации охватывает достаточно протяженную область. Это означает, что измеренные значения расхода воздуха характеризуют не локальный участок от шпура до свободной поверхности, а значительный отрезок нарушения сплошности.
Результаты измерений расхода при нагнетании воздуха через шпур при различных давлениях показывают, что расход практически линейно возрастает по мере увеличения давления.
Обследуемое нарушение сплошности представляло собой сомкнутый контакт поверхностей гранита. Длина трещины около 10м. Деформационные и фильтрационные характеристики этого нарушения исследовались ранее в течение трех полевых сезонов [36] и оставались практически неизменными на протяжении этого периода времени.
В ходе описываемой серии экспериментов на расстоянии около 2м от измерительного шпура была пробурена скважина диаметром 105мм и глубиной около 2м. На устье скважины был смонтирован генератор сейсмических волн, с помощью которого периодически осуществлялась детонация воздушно-топливной смеси, заполняющей скважину. Эксперименты велись в течение 80 часов с перерывами. Всего было произведено свыше 200 подрывов смеси. Максимальная амплитуда колебаний в окрестности трещины составляла величину порядка 1см/с, то есть какое-либо разрушение материала было исключено.
В процессе эксперимента периодически контролировался расход воздуха, продуваемого через шпур. Результаты эксперимента показаны на графике на рис.4.7 в виде зависимости расхода воздуха при избыточном давлении 0.1 МПа, приведенного к начальной величине, от времени (пунктирная линия). На этом же графике (сплошная линия) показано количество произведенных подрывов топливно-воздушной смеси в скважине.
Как видно из приведенных результатов, в ходе динамического воздействия произошло более чем двукратное увеличение проницаемости трещины. При этом наблюдается очевидная корреляция между количеством произведенных «выстрелов» и динамикой изменения расхода воздуха через шпур. Судя по внешним проявлениям (выход пузырьков воздуха на поверхности трещины), увеличение проницаемости произошло как за счет раскрытия ранее существовавших каналов, так и за счет образования новых проницаемых участков.
На поздней стадии эксперимента, когда увеличение проницаемости стало весьма значительным (более чем в два раза) можно отметить наличие релаксационных процессов - некоторое снижение проницаемости в перерывах между воздействиями.
Таким образом, проведенный эксперимент показал возможность значительного увеличения проницаемости нарушения сплошности при слабом динамическом воздействии. Подчеркнем еще раз, что какое - либо разрушение материала при реализованных амплитудах воздействия было исключено.
