CC BY
41
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97" МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97
СЕМИНАР 1 " ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
Г.П.Лопухов, к.т.н.
Всероссийский научно-исследовательский нефтяной институт, Москва
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ВИВРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНЫЙ МАССИВ ОЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Проблема заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных месторождений с применением специальных методов воздействия на горный массив может решаться путем создания надежной транспортной магистрали для метана угольных пластов к забоям добывающих скважин при условии достаточно полного его высвобождения из поровых каналов.
Следует отметить, что эта проблема, если ее рассматривать только с позиций эффективного вытеснения метана, рассеянного по горному массиву, имеет аналоги в практике разработки обводненных нефтяных месторождений.
Остаточная нефть таких месторождений, как и метан угольных пластов, представляет собой раздробленные несвязанные области, которые имеют разные масштабы и существуют в виде капель, ганглиев, целиков, обойденных водой. Поэтому опыт специалистов, разрабатывающих методы увеличения нефтеотдачи пластов может оказаться полезным.
В результате развития нефтяной науки и практики сформировались определяющие концепции увеличения степени извлечения нефти из недр, связанные с методами воздействия на продуктивные пласты. Общепринятая классификация выделяет следующие основные группы методов: гидродинамические, тепловые, водогазовые, химические, вибросейсми-ческие, микробиологические [1]. Боль-
шинство известных методов увеличения нефтеотдачи предусматривает устранение одной из трех основных причин снижения эффективности вытеснения нефти -
1) капиллярного удержания нефти в порах,
2) неблагоприятного соотношения подвижностей вытесняющего агента и вытесняемой нефти,
3) неоднородности продуктивного коллектора [2].
Для вытеснения метана из угольного пласта водой необходимо устранить только первую причину, поскольку, вторая не существует, когда вытесняющий агент - жидкость, а третья - в силу представлений о том, что угольный пласт -система существенно более однородная, чем нефтяной коллектор.
Капиллярное удержание газа в порах происходит в результате абсорбции молекул на внутренней поверхности каналов, что ведет к уменьшению их свободного сечения и закупорке. Об этом свидетельствует затухание диффузии метана, которое наблюдалось в кварцевых алевролитах и мелкозернистых известняках, отобранных на Верхне-Печорской площади (Ухта), в нескольких образцах мергеля и алевролита из района Устюрги (Турк-мения), в известняках Доплатов-ской площади (Куйбышевская область) [3]. Восстановление фильтрации газа можно осуществлять путем вибрационного воздействия на горный массив. В
обоснование сказанного приведем несколько фактов.
Анализ кривых сорбции пористых кристаллов показал, что сорбционная способность породы растет до некоторого предела с ростом давления. Следовательно, наложением на статическое давление осадочных пород периодически меняющегося поля напряжений от вибрационного источника можно получить скалывание молекул газа, удерживаемых на поверхности пористой среды.
Мерой подвижности может служить критерий подвижности, являющийся отношением капиллярных сил к смещающей силе. В [6] определен критерий подвижности капель размером (г х I) в потоке вытесняющего флюида сквозь пористую среду в поле упругих колебаний с амплитудой и частотой А и w, соответственно:
_ s/rcosq ,
П =------------------г + IdP / dx
Drg / sin a + A Dm '
где s - коэффициент межфазного натяжения;
q - краевой угол смачивания;
Dr - разность плотностей фаз; g - ускорение свободного падения; а - угол наклона капли к горизонту; dP/dx - градиент давления в вытесняющей фазе.
Критическое значение П является ве-личиной универсальной, определено экспериментально, в частности, и для рассеянной газовой фазы в среде заполненной водой и спиртом [4]. Значение критерия подвижности может быть уменьшено (дополнительное количество неподвижного газа вовлечено в фильтрационный поток), если воздейстовать на горный массив вибрационным полем.
Для доказательства были проведены эксперименты на двумерной плоской модели. Модель состояла из двух пластин оргстекла, между которыми поместили один слой стеклянных шариков. В ре-
зультате виброуплотнения шариков в модели получилась кусочно-
гексагональная стуктура, которая моделировала трещиновато-пористую среду. Средняя пористость модели была 0.6, а проницаемость 370 мкм2. Модель стягивали двумя железными пластинами при вертикальной установке на вибростенде, который создавал виброускорения до 15g. Частоты выбирались таким образом, чтобы получить колебания постоянной амплитуды и исключить виброперемещение шариков, которое наблюдалось при частотах выше 40 Гц, когда вибросила превосходила силы сухого трения. Амплитуда устойчивых колебаний составляла 0.45 мм в частотном диапазоне 15-40 Гц. Через специальное устройство в модель подавалось некоторое количество воды. Таким путем в пористой среде создавалась линзообразная жидкая капля толщиной г и длиной /. После этого включали вибростенд и модель подвергали вибрации, постепенно увеличивая частоту. Отмечали ту частоту, при которой нижняя граница капли начинает двигаться. Результаты экспериментов приведены ниже:
l.mm 22 21 20 19 18 17
w. Гц 16 18 18 19 20 22
Из предыдущих экспериментов было известно, что минимальный размер капель, начинающих перемещение в поле силы тяжести, составил 33мм. Это позволяет определить зависимость длины капли от параметров вибрации, которая в частном определении критерия, когда перепад давления равен нулю, при равенстве других параметров, входящих в него, имеет вид:
(g + Aw2) = const
Доказательством того, что критерий подвижности зависит от виброускорения, служит тот факт, что с уменьшением амплитуды колебаний вибростола до 0.3 мм частота страгивания капли вы-
росла до 27 Гц (расчетное значение частоты составило 26.94 Гц).
В реальных условиях, однако, практически невозможно получить те значения виброускорения с использованием существующих устройств, которые могут быть реализованы в лабораториях. Казалось бы это перечеркивает наши надежды на практическое использование вибровоздействия. Но оказалось, что в горной породе существование областей со значениями ускорения соизмеримыми с ускорением свободного падения возможно. При проведении опытнопромысловых экспериментов было обнаружено увеличение уровня акустического шума при вибровоздействии [6] в области частот 1-20 кГц. Существование зависимости между вибровоздействием и уровнем шума горной породы может на порядки уменьшить критические значения виброперемещения, при которых рассеянные формы нефти и газа могут фильтроваться по породе. Механизм перерас-пределе-ния энергии колебаний в область высоких частот предложен в [7]. При этом среда должна удоволетворять характеристике, которую ей дал академик М.А.Садовский [9]: " ... горная порода рассматривается как большая открытая система, состоящая из разномасштабных отдельностей, иерархически распределенных по размерам по закону геометрической прогрессии с показателем 2-5. Крупные отдельности в системе горной породы могут представлять собой целые ассоциации более мелких, реагирующие на внешние воздействия как единое целое. Система горной породы способна обмениваться массой и энергией как с внешней средой, так и между составляющими ее отдельностями. При этом ее отдельности могут достигать критической энергонасыщенности, терять устойчивость. Однако при этом свойства горной породы в целом практически не меняются; не меняется и характер энергомассо-обмена в системе. Отдельности, потерявшие устойчивость, отделены друг от
друга прослойками из того же материала, что и сами блоки, но обладающего меньшей прочностью за счет либо более развитой трещиноватости ( измельчен-ности ), либо за счет проникшей в них жидкой смазки ( воды, углеводов и т.п. ).... Блоки эти обладают определенными, измеряемыми размерами, известной энергоемкостью, занимают определенное положение в пространстве."
Представляется необходимым прежде чем перейти к доказательству существования блочной структуры нефтяного коллектора ответить на вопрос о блочной структуре горной породы, для которой нефтяной коллектор и уголный пласт являются хотя и уникальным, но частным случаем.
В [8] отмечается, что блочность структуры является существенным свойством реальной горной породы, когда дело касается рассмотрения различных процессов в геофизике, горном деле, сейсмологии. Эта блочность среды приводит к тому, что описание процессов в рамках традиционной механики сплошной среды является приближением наблюдаемых явлений. Например, распространение сейсмических колебаний в массиве, имеющем блочную структуру, существенным образом зависит от соотношения между длиной волны и характерным размером блока: длинноволновые колебания распространяются так же , как и в сплошной среде ( блочность проявляется только в том, что упругие характеристики среды оказываются осредненными величинами), в то время как коротковолновые колебания с длиной волны, меньшей размеров блока, испытывают отражения на границах блоков; волны преломляются, рассеиваются , объемные колебания приводят к появлению поперечных и т.д.
В [8] показано, что естественные блоки, выявляющиеся при изучении горных пород, обнаруживают некоторую упорядоченную иерархию преимущественных размеров.
Блочное строение земной коры, выявленное по данным геологических разломов и исследованиям распространения сейсмических волн, имеет следующий ряд "преимущественных размеров" 10-12, 45-60, 100-120, 300-600 км. По рассеянию сейсмических волн в верхней части кристаллического фундамента Белоруссии выявлены характерные размеры мелкомасштабных неоднородностей: 4-6, 15-20, 150-250 м.
Наиболее многочисленные данные получены при дроблении породы взрывом. В [8] отмечается, что при проведении взрывов различного масштаба блоч-ность исходной структуры горной породы приводит к тому, что в отличие от других эффектов взрыва размер кусков породы, образующихся при взрыве, не подчиняется закону энергетического подобия, а обусловливается исходной неоднородностью среды. Данные многочисленных взрывов ( ядерных, хими-ческих) свидетельствуют о том,что для "среднего" взрыва максимумы во всех распределениях кусков породы за единичным исключением лежат в области размеров 50-100 см.
Блочность горной породы отмечена при гранулометрическом анализе грунтов. Для грунтов Забайкалья максимумы распределения частиц лежат в областях 17, 3.8 и 1 мм.
Таким образом многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что горной породе присуще блочной строение. По данным работы [8], которая рассматривает приведенные результаты с позиций распределения размеров твердых отдельностей, найденные величины "преимущественных размеров" складываются в иерархический ряд, описываемый геометрической прогрессией с знаменателем, близким к 3.5. Отмечено, что "существует общее свойство твердых материалов, проявляющееся в том, что при их расчленении на отдельности... распределение возникающих кусков-блоков по размерам об-
разует иерархическую последовательность, которая не зависит (в грубом приближении) от физико-химических свойств материала".
Для доказательства полимодаль-ного строения нефтяного коллектора был произведен обмер добытого кернового материала Павловского месторождения.
Методика проведения обмеров кернового материала заключалась в предварительной выбраковке из колонки керна тех его кусков, у которых сколы торцов получены в результате принудительного отрыва при заполнении керно-приемника во время бурения с отбором керна, не производился обмер кусков полученных в результате распила. Размер блока брался равным среднегеометрическому из максимального и минимального размеров блока вдоль оси выбуривания [9].
Обмеру подвергались керны, полученные при бурении скв. 2035 из интервала залегания 1019-1026 м.
Было произведено 1086 обмеров. Анализ распределения размеров кернов показал, что существует 3 ряда "преимущественных размеров" в миллиметровом диапазоне -1.5, 5, 14, 42; 3, 9, 26.5, 82; 7, 20 (24), 65 мм. Отношение соседних преимущественных размеров Ь^ и находится в пределах 3-3.08.
Некоторые из приведенных данных составили методическую основу при проведении опытно-промысловых работ по вибросейсмическому воздействию в Киргизии на месторождении Чангыр-Таш, Волгоградской области на Жирнов-ском месторождении, на Урале - Павловское ме-сторождние. Вибровоздействие было осуществлено на обводненные нефтяные пласты, что привело к снижению обводненности продукции добывающих скважин в среднем на 7-13% и увеличению дебита нефти в среднем на 30-40%. Вибровоздействие осуществлялось низкочастотными колебаниями с частотой 20-80 Гц так, что эффективному “озвучиванию” были подвергнуты
участки месторождений с площадью до 2x107 м2. Комплекс технических средств вибросейсмического воздействия состоял из мощного наземного источника колебаний, специального волновода, смонтированного в одной из скважин и установленного на излучатель.
Существенные изменения в дебитах нефти и воды означают, что капли нефти действительно становятся подвижными в водном потоке под действием вибраций. Это возможно, если проницаемость для нефти при значениях насыщенности выше пороговой отлична от О [5]. Во ВНИИ проведены экспериментальные работы по изучению поведения фазовых проницаемостей в поле упругих колебаний. В качестве генераторов внешней силы использовался пьезоакустический излучатель, механический вибратор и пульсатор давления. В качестве несмешивающихся фаз - керосин-вода и воздух-вода. Фазовые проницаемости керосина и воздуха в поле колебаний оказались больше.
Следует отметить, что при равенстве подвижностей легких нефтей с вязкостью 5 сПз при ее фильтрации по пористой среде спроницаемостью 30 мД, что соответствует условиям месторождения Чангыр-Таш [7], фильтрация газа с вязкостью 10‘3 сПз должна проходить в пористой среде с проницаемостью 0.006 мД, что вполне соответствует проницаемости угольных пластов. Существенная разница заключается в том, что с уменьшением радиуса поровых каналов на фильтационные процессы начинают существенную роль оказывать силы межмолекулярного взаимодействия межу сорбентом-метаном и сорбатом-угольным пластом. На преодоление этих сил требуются дополнительные энергетические затраты. Влияние низкочастотных колебаний на тонкие структуры (пленки, диффузионные слои, присутствующие в горной породе), в которых существенную роль играют межмолекулярные силы, изучено недостаточно полно. Приведенные
ниже экспериментальные данные позволяют предположить, что спектр колебаний горной породы при вибросейсми-ческом воздействии обогащается высо-кочастотны-ми составляющими в существенно большем частотном диапазоне, чем это представляется сейчас [11].
В лаборатории волновых методов ВНИИ проведены исследования влияния низкочастотных колебаний на изменение величины потенциала потекания при фильтрации жидкости через образцы пористой среды. Влияние низкочастотных колебаний на величину потенциала протекания неочевидно в силу того, что при таком воздействии не нарушен режим течения в образце, поскольку жидкость и пористая среда движутся синфазно. Скачок потенциала на концах образца образуют ионы подвижного диффузионного слоя, которые вместе с неподвижным слоем ионов, прилегающих непосредственно к горной породе составляют структуру двойного электрического слоя. Поскольку синфазность движения фаз не нарушена, поэтому и структура двойного электрического слоя не должна меняться. Оценка критической частоты начала несинфазного движения горной породы и жидкости дает величину 10бГц для значений вязкости 106 м2/с и размеров поровых каналов 10'6м [12].
В экспериментах использовался образец полимиктового, мелкозернистого, среднесцементированного песчаника месторождения Узень, проницаемостью 1,98x10 13 м2 и пористостью 25.8%. Образец подвергался колебаниям на вибростенде с частотой 50-60 Гц и амплитудой 0,4x103 м. Анализ данных показал, что уменьшение величины потенциала протекания составляло в некоторых сериях замеров до 40%.
В [10] установлено, что в вибросей-смическом поле протекают механо-химические реакции с образованием новых компонентов углеводородных газов; существует частотный оптимум генерации углеводородных газов (в экспери-
ментах - 16-20 Гц и 3-5 Гц); активная генерация углеводородных газов просхо-дит в ближней зоне источника (первые десятки метров), что устанавливает прямую связь между интенсивностью сейсмического поля и величиной газохимического поля. Экстраполируя полученные данные на физико-химические процессы в нефтяном коллекторе, авторы [10] ставят задачу поисков механизма преобразования “малой энергии сейсмических волн в концентрированную точечную энергию”, которая необходима для протекания механо-химических реакций. Предполагается, что в результате низкочастотного сейсмического воздействия на среду инициируется вторичное высокочастотное сейсмическое излучение, которое вызывает явление кавитации. При схлопывании пузырьков локально выделяется необходимая энергия.
Таким образом, есть основания надеятся, что вибросейсмическое воздействие, способное оказывать влияние на большие горные массивы, будет весьма полезным инструментом для заблаговременного извлечения метана угольных пластов. Необходимым этапом в этой работе должно стать изучение механизмов сейсмовибрации на угольный пласт, содержащий метан.
Идею применения вибросейсмиче-ского воздействия автору высказал профессор Боксерман А.А.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сургучев М.Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи плас-тов//М.,Недра, 1985,309с.
2. Аметов И.М. и др. Повышение неф-теотдачи-новые возможности// Нефтяное хозяйство,М.,Недра, 1997 (в печати)
3. Соколов В.А., Григорьев Г.Г. Методика и результаты газовых геохимических нефтегазопоисковых работ//М.,Гостоптехиздат,1962.
4. Лопухов Г.П. Теоретическое обоснова-
ние вибросейсмического воздействия на неглубоко залегающие обводненные нефтяные пласты. Дисс....к.т.н.,М.,1990, 169 с.
5. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика//М., Недра, 1996, 448с.
6. Lopukhov G.P., Nikolaevsky V.N. The role of acoustic emission at stimulation of waterflooded oil reservoirs// Improved Oil Recovery, Proc. 8th Symp., v.2, Vienna.
7. Николаевский В.Н. Механизм вибровоздействия на нефтеотдачу месторождений и доминантные частоты//ДАН СССР, т.307, 570575.
8. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойстве дискретнсти горных пород//Изв. PAH,N 12,1982,сЗ-18.
9. Садовский М.А. О распределении размеров твердых отдельностей// ДАН СССР, т.269,N1,1983,с.69-72.
10. Аммосов С.М., Войтов Г.И., Кузнецов В.В., Николаев А.В. Некоторые физикохимические процессы в пластовом коллекторе в поле сейсмической энергии//В сб.’’Сейсмическое вибровоздействие на нефтяную залежь”,М.:РАН, 1993,с.213-227.
11. Nikolaevskiy V.N., Lopukhov G.P., Yizhu Liao, Economides M.J. Residual oil reservoir recovery with seismic vibrations // SPE Production & Facilities, May 1996, p.89-94.
12. Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solids I. Low frequency range. J. Acoust. Soc. Amer., 1956, 28, p.168-178.
© Г.ПЛопухов
