Вибросейсмическое воздействие на нефтегазовые пласты - технология ХХI века Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Техника и инновации

УДК 624.042.7

Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин

ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА НЕФТЕГАЗОВЫЕ ПЛАСТЫ -ТЕХНОЛОГИЯ XXI ВЕКА

Одним из перспективных методов повышения нефтеотдачи для обводнённых месторождений, находящихся на поздней стадии выработки, является вибросейсмическое воздействие (ВСВ) на нефтегазовые пласты. В течение последних десяти лет, по данным научно-технической литературы, ВСВ применялось на 12 месторождениях, и всегда обеспечивалась дополнительная добыча нефти на участке, охваченном воздействием [1].

Известно, что остаточная нефть в пластах удерживается главным образом в трех видах:

- пленочная нефть на стенках капилляров и трещин;

- нефть в виде рассеянных ганглий, защемленных в породе;

- нефть в виде не вовлеченных в разработку нефтенасыщенных зон (целиков), обтекаемых со всех сторон вытесняющим агентом (водой) или запертых в тупиках контура нефтеносности.

Одним из немногих методов, воздействующих на все три вида остаточной нефти, является ВСВ. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что флюидонасыщенный пласт можно рассматривать как блочно-иерархическую структуру с различными размерами геоблоков (для карбонатных коллекторов до 30 см, для терригенных до 1-3 м). Геоблоки разделены трещинами, заполненными флюидом, и находятся в напряженном состоянии из-за горного давления. Известно, что такая структура обладает следующими свойствами [3, 4]:

- существуют доминантные (квазирезонансные) частоты, на которых происходит увеличение амплитуд колебаний геоблоков;

- в структуре геоблоков возникают низкоскоростные (300-600 м/с) деформационные и маятниковые волны;

- возникает эффект аномально низкого трения из-за уменьшения площади контакта в режиме маятниковой волны и из-за соразмерности рельефа шероховатости поверхности геоблока с амплитудно-фазо-частотными характеристиками деформационных волн.

При работе сейсмоисточника на доминантной частоте пласта, уровень смещения породы составляет ~ 10 Нм, а мощность сейсмического сигнала, доведенного до пласта, составляет 10-3-10-4 Вт/м2, что обеспечивает максимальную амплитуду колебаний геоблоков [3].

Поле упругих колебаний столь малой интенсивности само по себе не может вызвать таких больших изменений в структуре пласта, которые существуют в реальности и подтверждаются практикой ВСВ и приводят к повышению нефтеотдачи. Единственное объяснение этому несоответствию, состоит в том, что источником энергии для изменения структуры пласта является горное давление, а сейсмическое поле малой интенсивности играет роль своеобразного «спускового крючка» для высвобождения энергии напряженного состояния геоблоков.

Можно считать, что пласт, находящийся под давлением и обводнённый, представляет собой неравновесную среду. Если учесть, что для неравновесных сред характерным является появление больших последствий из-за малых воздействий (порядка нанометров) то, по утверждению академика РАН А. С. Алексеева, технология ВСВ — это нанотехнологии для нефтедобычи.

При этом происходят следующие физические явления:

I. Излучение от источника на доминантной частоте (7-20 Гц) вызывает резонансные колебания геоблоков из-за наличия аномально низкого трения, деформационных и маятниковых волн, «самонапряженности» блоков, связанных упругими элементами. Колебания геоблоков переизлучают в межблочное пространство сейсмическую энергию с плотностью большей, чем плотность подводимой энергии, при этом горное давление играет роль источника питания, обеспечивающего возможность увеличения плотности переизлучаемой энергии. По сути, это явление и есть сейсмическая эмиссия пласта. (На этом явлении разработана методика разведки углеводородного сырья «Анчар»). В процессе колебаний геоблоков происходит их притирка; расширение макротрещин; рост микротрещин до размеров макротрещин, расчленяющих блоки на подблоки. Этот процесс длительный по времени и составляет 1,5-2 месяца (полупериод длительной «памяти» пласта), в это время происходит структурная перестройка коллектора, изменение его зональной и послойной неоднородности и путей фильтрации жидкости, что повышает охват пласта заводнением и способствует вовлечению в разработку ранее недренируемых зон пласта. Необходимо подчеркнуть, что на появление мощной сейсмической эмиссии влияют в основном поперечные волны «S», т. к. толщина пласта мала по сравнению с длиной продольной Р-волны и он на Р-волну реагирует как «целое», в то время как S-волна вызывает «подвижку» геоблоков.

II. Колебания геоблоков на доминантных частотах приводят к пульсациям давления жидкости в щелях и неравномерности её движения, что, учитывая высокое начальное давление, приводит к появлению ультразвуковых колебаний в диапазоне 1-5 кГц (аналогия с гидродинамическими ударами и гудением водопроводных труб при высоком давлении и неравномерном течении, т. е. появлении кавитационных явлений). В результате этого явления происходит облучение пласта в зоне радиусом до 7 км высокочастотной сейсмической энергией, объемная плотность которой много больше, чем объемная плотность доведенная до пласта от поверхностного источника — это явление и есть акустоэмиссия. Следствием этих процессов является разрушение вязких нефтяных пленок на стенках капилляров и трещин, инициирование капиллярной пропитки блоков, изменение физико-химических свойств нефти, что в целом обеспечивает дополнительную добычу.

III. Кроме описанных выше процессов, которые в настоящее время представляются нам основными при объяснении факта повышения добычи нефти при ВСВ, имеются еще ряд явлений, сопровождающих колебания геоблоков: проявляется сейсмо-электрический эффект 1 -го рода, приводящий к возникновению разности электрических потенциалов между двумя соседними точками капиллярно-пористой горной породы при прохождении через нее упругой волны, что в свою очередь может способствовать извлечению остаточной нефти в виде ганглий и отдельных капель, запертых в порах за счет возбуждения собственных колебаний осцилляторов «капля-нефти-вода-пора». К подобному процессу может привести и кинематическое возбуждение осцилляторов из-за колебаний геоблоков. Однако эти процессы, в настоящее время, представляются второстепенными, а основное значение в механизме повышения нефтеотдачи имеют сейсмоэмиссия и акустоэмиссия.

Для успешного применения ВСВ желательно наличие следующих условий:

- высокая обводненность пласта — не менее 65 %;

- величина к = Qz 1

Z Ql '

где QZ — суммарный объем закачанной в пласт воды; QL — накопленный отбор жидкости.

Желательно также для повышения эффективности ВСВ повышение давления нагнетания на ~ 1 МПа на время ВСВ либо постоянно, либо циклически (на день повышается, на ночь возвращается в прежнее состояние).

Таким образом, ВСВ является экономически выгодным и эффективным методом увеличения нефтеотдачи, который повышает добычу нефти в радиусе влияния (5-7 км) на 40-60 %, сохраняет эффект в течение 10-12 месяцев после прекращения воздействия и увеличивает коэффициент извлечения нефти (КИН).

Широкое использование ВСВ сдерживается, кроме субъективных причин, еще и потому, что в настоящее время нет эффективных инструментов для создания упругого волнового поля в толще нефтяного пласта. Альтернативные источники сейсмических волн могут быть трёх типов:

- наземные вибромодули;

- заглублённые источники, излучающие волновое поле под зоной низких скоростей (на глубинах 100-200 м);

- скважинные сейсмовибраторы, работающие на глубине залегания пласта.

Общим требованием для всех трёх типов является необходимость излучения

с достаточной мощностью на доминантной частоте с погрешностью не более 0,1 Гц.

До настоящего времени использование технологии ВСВ связано с применением различных наземных вибромодулей — разведочных, стационарных и мощных мобильных. Анализ перспектив использования вибромодулей для ВСВ показывает, что при необходимом вибротяговом усилии не менее 1 МН (100 т.с) и низкой частоты разведочные вибромодули обладают малым вибротяговым усилием (до 30 т.с) и по принципу действия (инерционное нагружение) плохо работают на низких частотах и, следовательно, малоэффективны для целей ВСВ. Стационарные вибромодули с вращающейся инерционной массой (типа «Сейсан») отвечают требованиям технологии ВСВ, но сложности при перевозке и монтаж в условиях месторождения ограничивает их применение.

В лаборатории «Волновая механика» ОмГТУ разработан, изготовлен и прошел успешное промышленное испытание на Долговском месторождении в Оренбургской области мобильный низкочастотный вибромодуль СВ 100/20, в котором использовался новый принцип силового замыкания в системе «инерционная масса - грунт» для создания усилия на среду [2].

Основные технические характеристики вибромодуля СВ 100/20:

- вибротяговое усилие — 1 МН (100 т.с);

- частотный диапазон — 5-20 Гц;

- режим работы — монохроматический, свип-сигнал;

- относительная нестабильность частоты — 10-5.

В лаборатории «Волновая механика» разработана конструкция, изготовлен и испытан лабораторный образец низкочастотного скважинного виброисточника, в котором по заполненной жидкостью скважине глубиной 100-200 м от устья гидравлическим пульсатором передается до забойной части перепад давления ДР с заданной частотой. В этом случае поршень в забойной части при контакте с грунтом будет работать как плоский заглублённый источник упругих волн, эффективность которого даже при малом диаметре скважины будет эквивалентна мощному наземному источнику, т. к. в поверхностном источнике более 80 % тратится на образование волны Релея. Из условия допустимости деформаций грунта в пределах упругости определена амплитуда перепада давления, создающаяся гидравлическим пульсатором на устье скважины.

При рассмотрении скважины, заполненной жидкостью, как гидравлической линии с распределенными параметрами, определены динамические процессы движения поршня и найдены значения «антирезонансных» частот, на которых гидронасос пульсатора будет иметь наименьшие расходы. Из условия совпадения одной из «антирезонансных» частот с доминантной частотой пласта определяется необходимая глубина скважины [5].

Принципиальная схема скважинного виброисточника приведена на рис. 1.

Необходимо отметить, что такой источник сейсмических волн является экономически оправданным, так как бурение скважин глубиной 100-200 м не сложно, а мало-

Рис. 1. Принципиальная схема скважинного виброисточника:

1 - пульсатор; 2 - нагнетательная линия; 3 - сливная линия; 4 - насос; 5 - бак; 6 - разделительная мембрана; 7 - обсадная труба; 8 -скважинная жидкость; 9 - поршень (излучающий элемент)

мощный пульсатор с небольшим расходом гидронасоса может работать в автоматическом режиме.

Основные технические характеристики:

- амплитуда перепада давления в забойной части скважины — 10-15 МПа;

- глубина обсаженной скважины — 100200 м;

- излучение упругих волн на доминантной частоте пласта — (5-20 Гц) с точностью 0,1 Гц;

- автоматический режим пульсатора давления, установленного на устье скважины.

Одним из направлений использования погружных гидравлических скважинных вибраторов для целей ВСВ является обеспечение их работы на доминантной частоте с требуемой точностью. В настоящее время для низкочастотного акустического воздействия

на призабойную зону пласта (ПЗП) широко применяются различного вида погружные скважинные вибраторы (роторного шиберно-торцевого вида и т. д.), которые устанавливаются на глубине залегания пласта. Эти вибраторы достаточно надежны, обладают большой мощностью и имеют частотный диапазон 10-100 Гц, при этом рабочий орган вибратора, создающий пульсирующий перепад давления, приводится в движение за счет создания необходимого расхода и давления жидкости насосом на устье скважины. Перспектива использования вибраторов подобного типа для ВСВ на нефтеносный пласт ограничена тем, что стабильность частоты у этого вибратора невысока, в то время как для ВСВ допустимая погрешность частоты излучения на доминантной частоте пласта составляет не более 0,1 Гц при диапазоне доминантных частот 5-20 Гц.

В связи с вышеизложенным проблема создания системы управления частотой погружных вибраторов, которая должна обеспечивать их работу на доминантной частоте пласта с погрешностью не более 0,1 Гц, является актуальной [6].

Погружной вибратор по принципу действия представляет собой объемную гидравлическую машину, скорость вращения которой (а, следовательно, и частота излучения энергии) при неизменном давлении определяется подачей насоса. В этом случае регулирующим воздействием является изменение расхода насоса в соответствии с отклонением частоты излучения от заданной. Функциональная схема системы управления частотой излучения погружного вибратора в предположении, что на устье скважины установлен насос с регулятором давления, показана на рис. 2.

Особенностью приведенной системы управления является то, что управляющий

сигнал по расходу 0(1) и перепад давления от вибратора до датчика обратной связи распространяются по длинной гидравлической линии. Принципиальная структурная схема системы управления представлена на рис. 3.

Рис. 2. Функциональная схема управления частотой излучения:

/зад - заданная частота; Л™ - измеренная частота; е= /Зад - Л 1 - усилитель; 2 -электродвигатель; 3 - пара винт-гайка; 4 - регулятор расхода; 5 - насос; 6 - бак;

7 - колонна насосно-компрессорных труб (НКТ); 8 - нефтеносный пласт; 9 -погружной вибратор; 10 - обсадная труба; 11 - датчик давления; 12 - измеритель

частоты

Рис. 3. Принципиальная структурная схема системы управления:

Wl(p) - передаточная функция усилителя; МЗД - передаточная функция регулятора расхода; Wз(p) - передаточная функция гидравлической линии от устья до вибратора; М4(р) - передаточная функция генератора импульсов давления (вибратора); Мб(р) - передаточная функция гидравлической линии от вибратора до устья; и - напряжение с усилителя; 01 - расход насоса; 02 - расход у вибратора; f - частота перепада давления, создаваемого вибратором; fз - заданная частота; р - комплексная переменная Лапласа

Проведенный анализ динамики управления погружными вибраторами показывает, что они вместе с системой автоматического управления могут эффективно использоваться в технологии ВСВ.

В лаборатории «Волновая механика» разработан также принцип построения, дан анализ работы и найдены конструктивные решения для погружного автоколебательного виброисточника.

Одним из перспективных направлений по созданию такого источника является использование автоколебательного гидравлического привода, силовая часть которого управляет клапаном, создающим пульсирующее давление в зоне перфорации обсадной трубы на глубине залегания пласта. Постоянное давление, превышающее скважинное на 15-20 МПа, создается, например, с устья скважины с помощью соответствующего насосного агрегата и по колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) передается до клапана. Область пульсирующего с доминантной частотой давления в скважине ограничивается пакерами. Принципиальная схема устройства для создания пульсирующего давления с помощью управляемых клапанов показана на рис. 4.

Из рис. 4 следует, что при движении клапана-золотника 5 вниз открывается канал 6 и в объеме окон 10 давление от Рскв повышается до Рп, при движении клапана вверх давление Рп перекрывается и полость окон 10 соединяется через окна 12 с межтрубным пространством со скважинным давлением. Зона перфорации обсадной колонны, через которую перепад давления др = Рп -Рске воздействует на нефтегазовый пласт, создавая в нем упругое волновое поле, изолирована от межтрубного пространства пакерами 8. Таким образом, если автоколебательный гидропривод 7 будет создавать колебательное движение золотника 6 с частотой равной доминантной частоте пласта и с амплитудой, обеспечивающей перекрытие окон 6 и 12, то через перфорационные отверстия 9 на пласт будет действовать пульсирующее давление, создавая в нем упругие деформации.

Рис.4. Устройство для создания пульсирующего давления:

1 - НКТ; 2 - обсадная труба; 3 - пружины; 4 - масса;

5 - клапан золотникового типа; 6 - окна и трубопровод для подачи Рп в зону перфорации и гидропривод; 7 -автоколебательный гидропривод клапана; 8 - пакер; 9 - перфорация; 10 - окна для выхода жидкости; 11 - шток гидропривода; 12 - окна и трубопровод линии слива; Рп - давление питания; Рскв - давление в скважине

12

11

В качестве автоколебательного силового привода может быть использован, например, привод, в котором связь перемещения клапана и штока гидроцилиндра с золотником осуществляется через дифференцирующее гидравлическое устройство (катаракта). Анализ динамики такого источника [7] показывает, что при настройке параметров автоколебательного контура на доминантные частоты в лабораторных условиях, источник может эффективно использоваться для ВСВ.

Таким образом, можно надеяться, что имеющиеся в распоряжении лаборатории «Волновая механика» ОмГТУ научные и конструкторские наработки по различным, не имеющим аналогов, источников для создания упругих полей с заданными характеристиками в толще нефтегазового пласта позволяют, при заинтересованности нефтегазовой отрасли, довести технологии ВСВ как нанотехнологии в нефтедобычи до широкого промышленного применения.

Библиографический список

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

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

3. Алексеев, А. С. и др. Вынужденные колебания трещиновато-блочных флюидонасыщенных слоев при вибросейсмических воздействиях / А.С. Алексеев и др. // ФТПРПИ. - 2001. -№ 6. - С. 3-13.

4. Курленя, М. В. Волны маятникового типа. Ч. II. Методика экспериментов и основные результаты физического моделирования / М. В. Курленя, В. Н. Опарин, В. И. Востриков // ФТПРПИ. - 1996. - № 4. - С. 3-39.

5. Бурьян, Ю. А. Скважинный источник для создания волнового поля в горных породах / Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин, В. С. Корнеев // Омский научный вестник, № 3 (36) - Омск, 2006.

6. Бурьян, Ю. А., Сорокин В. Н. Управление угловыми колебаниями автотранспортных средств / Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин // Механотроника, автоматизация, управление. - М.: 2007. - № 6. - С. 36-40.

7. Бурьян, Ю. А. Низкочастотный скважинный источник упругих волн / Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин, Г. С. Русских // Омский научный вестник, № 9 (46). - Омск, 2006.

© Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, 2009

Бурьян Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления» Омского государственного технического университета.

Сорокин Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Основы теории механики и автоматического управления» Омского государственного технического университета

Дата поступления статьи в редакцию: 19.02.2009 г.