Низкочастотный вибросейсмический источник Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 624.042.7

Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин

ОмГТУ, Омск

НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК

Y.A. Burian, V.N. Sorokin Omsk State Technical University

THE LOW-FREQUENCY VIBRO-SEISMIC GENERATOR

In work the designing principle of the low frequency vibration generator with power shorting in system «inertial mass-ground» is reviewed, the calculation schema is resulted and the analysis of masses moving dynamics is given. It is demonstrated, that such generator effectively works on low frequencies in the range of 2-20 Hz.

Повышение нефтеотдачи на поздних стадиях эксплуатации месторождений является актуальной проблемой нефтедобывающих предприятий. Одним из способов повышения нефтеотдачи является вибросейсмическое воздействие на нефтяную залежь [1]. Однако этот способ до сих пор не получил широкого развития ввиду отсутствия мощных, низкочастотных, с высокостабильными параметрами и при этом мобильных сейсмических источников.

В Омском государственном техническом университете разработан вибрационный сейсмический источник, использующий новый принцип силового нагружения грунтового основания - с силовым замыканием в системе инерционная масса - грунт [2].

В качестве «мягких» пружин целесообразно использовать резинокордные оболочки (РКО), которые при большой грузоподъемности имеют малую жесткость и нелинейную характеристику упругости. Расчетная схема такого источника показана на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема

1 - инерционная масса щ;

2 - РКО;

3 - демпферы;

4 - пружины, характеризующие упругие свойства грунта под поддерживающими плитами;

5 - демпферы, характеризующие диссипативные свойства грунта под поддерживающими плитами;

6 - поддерживающие плиты;

7 - излучающая плита;

8 - гидроцилиндр;

9 - пружина, характеризующая упругие свойства грунта под излучающей плитой;

10 - демпфер, характеризующий диссипативные свойства грунта под излучающей плитой;

щ - масса поддерживающей плиты вместе с присоединенной массой грунта;

щ - масса гидроцилиндра, излучающей плиты и присоединенной массы грунта;

С, Ьг - соответствующие коэффициенты жесткости и демпфирования;

- момент инерции массы щ относительно горизонтальной оси, проходящей через точку «М».

Для составления уравнения движения многомассовой системы на рис. 1 в качестве обобщенных координат примем 20,ф, 2Ъ, г4,при этом, линия приложения силы Б (г) гидроцилиндра смещена от центра масс на расстояние М.

Будем полагать, что в положении равновесия при Б() = 0 масса щ , вывешена на РКО, массы щ и щ также находятся в положении равновесия в соответствии с величинами жесткости С2 и С3, и значения обобщенных координат отсчитываются от положений равновесия. Учитывая, что РКО обладают нелинейной нагрузочной характеристикой, необходимо учитывать

функциональные зависимости: Бр (г1 — г4) и Бр (г2 — г5), где перемещения г соответствующих РКО определяются по выражениям:

= го + ф11

Г2 = Г0 —Ф12 (1)

Бр и г о - нагрузочные характеристики РКО.

Дифференциальные уравнения колебаний механической системы (рис. 1) с учетом нелинейности упругих свойств РКО, а также угловых колебаний могут быть представлены в виде [3]:

1 17 ( 1 Г ^ \ Ь1 ^ ^ (^)

^ —Х (2 - 2 4 )Т-Х Рр (г 2 - 2 5 )Т-х(zl - 2 4 + 2 2 - 25 ) = ~“

ш,

ш,

ш,

ш,

р + — X ^ ^ - 24 )-~2~ х Рр (г2 - г5 )+ -2- X Ь1 X (.*1 - 24 )-

- х Ь1 х (2 2 - 2 5ЬМ х Р(/)

С 2 1

х 2 4 - х

Ш 2 Ш2

с г 1

х 25 - х

Ш2 ш2

С3 2 3 Т ьъ_

х х

шз шз

р V2 2 - 2 5,

_Р(1)

ь_ Х (21 1 И- 4 Т ь2 X ^ 4 = = 0

Ш2 ш2 4

ь_ ^2 2 )Т •И - Ь . X 2Ъ - = 0

Ш2 ш2 5

ш

(2)

Система нелинейных дифференциальных уравнений (2) решена численным методом с помощью пакета прикладных программ «Ма1ЬАВ» с расширением <^тиНпк». Анализ результатов имитационного моделирования показал, что при /х = /2 и М = 0 можно разделить угловые и линейные колебания инерционной массы, так как взаимосвязь движений из-за нелинейности РКО мала.

Рис. 2. Зависимость отношения тг~\ от частоты и коэффициента £;

1 - £=0,1; 2 - £=0,3; 3 - £=0,5; 4 - £=0,707

4

4

5

3

3

4

В результате исследований построены графики отношения ■р г в

4

зависимости от частоты и коэффициента относительного демпфирования для гармонического воздействия F(t) = F0 sin mt, где F0 = 106 Н (рис. 2).

Как следует из графиков на рис. 3 для эффективной работы

ы

сейсмического источника, за счет большого соотношения ггт, необходимо

\z 4I

обеспечивать малое демпфирование колебаний инерционной массы. Вместе с

ы

тем, в диапазоне частот 2-5 Г ц, даже при £ = 0,1, соотношение ттт не велико

lz 4I

(табл. 1) и можно ожидать снижение эффективности излучения. Однако этого не происходит, так как минимальные значения фазового рассогласования колебаний этих плит находятся в низкочастотной области рабочего диапазона источника, там, где амплитуда колебаний излучающей плиты не значительно превосходит амплитуду колебаний поддерживающих плит (рис. 3).

<р

и

13

-50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450

I? 19 f№

"■

ч. ч

X N

\ X

N

\ \

Рис. 3. Фазочастотные характеристики колебаний масс сейсмического источника СВ-100/20.ф1 - фаза колебаний инерционной массы, ф2 - фаза колебаний поддерживающих плит, ф3 - фаза колебаний излучающей плиты

В высокочастотной области рабочего диапазона фазовые рассогласования увеличиваются, но в этой части рабочего диапазона амплитуда колебаний излучающей плиты во много раз превосходит амплитуду колебаний поддерживающих плит.

Таким образом, сейсмический источник с силовым замыканием в системе «инерционная масса - грунт» имеет практически одинаковую эффективность во всем рабочем диапазоне частот.

Вместе с тем, необходимо отметить, что электрогидравлический привод источника, осуществляющий силовое воздействие на грунтовое основание посредством гидропривода, управление которым осуществляется электронным блоком, позволяет проводить ВСВ на двух и более доминантных частотах, что в значительной степени повышает эффективность метода.

Сейсмический источник СВ-100/20, имеет следующие характеристики:

1. Номинальное толкающее усилие 1 + 0,01 МН;

2. Диапазон рабочих частот 4 - 20 Гц;

3. Площадь излучающей плиты 10,8 м;

4. Относительная нестабильность частоты 1 • 10_5

5. Вид излучаемого сигнала монохроматический, ЛЧМ.

Гц;

Транспортирование источника осуществляется в разобранном виде по дорогам общего пользования.

Сейсмический источник СВ-100/20 прошел испытания на промышленную безопасность и имеет разрешение Госгортехнадзора РФ на использование для проведения ВСВ. Вибросейсмическое воздействие на доминантной частоте 9,75 Гц, выполненное на Долговское месторождение Оренбургской области позволило за два месяца дополнительно добыть 2 351 т нефти.

Результаты теоретических исследований и опытно-промышленных работ показывают, что вибрационный сейсмический источник с силовым замыканием в системе инерционная масса - грунт, типа СВ-100/20 может с успехом применяться для проведения ВСВ на нефтяные залежи как на одной, так и на нескольких доминантных частотах. Источник может работать не только в одиночном режиме, но и в группе аналогичных источников. Вместе с тем, источник может использоваться при проведении комбинированных воздействий на нефтяные залежи, а также для решения задач региональной сейсморазведки и повышения эффективности применения технологии поиска нефтегазовых месторождений - «Анчар».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Симонов Б.Ф. и др. Вибросейсмическое воздействие на нефтяные пласты с земной поверхности // Нефтяное хозяйство. - 2000 г. -№ 5. - С. 41-46.

2. Бурьян Ю.А., Сорокин В.Н. Гидромеханический источник сейсмических волн с силовым замыканием в системе «инерционная масса-грунт» // ФТПРПИ. - 2002 г. -№ 3. -С. 81-87.

3. Пат. № 2184985 Российская Федерация, МПК G01V1/02. Виброисточник / Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, В.Л. Кузик; заявитель Омский государственный технический университет. - № 2001105785; заявл. 01.03.01; опубл. 10.07.02, Бюл. № 04/2004.

© Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, 2008