автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Повышение производительности хранилища промышленных стоков с применением энергии взрыва

На правах рукописи

УДК 622.292

ФИЛЯНСКИЙ НИКОЛАЙ АЛЬБЕРТОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ХРАНИЛИЩА ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА

(на примере Астраханского ГПЗ)

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

'Хч {V.

^ #

Работа выполнена в Управлении магистральных газопроводов и продуктопроводов предприятия "Астраханьгазпром"

Научный руководитель: - докт. техн. наук, ст.научн.сотр.

Нагорный Владимир Петрович Официальные оппоненты: доктор техн.наук, профессор

Потапов А.Г. - кандидат техн.наук Федоров Б.Н.

Ведущее предприятие: "Подземгазпром"

Защита диссертации состоится ы-/' ии^иОи 1998г. в 13 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 070.01.02 при Всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ) по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка, ВНИИГАЗ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГАЗа.

Автореферат разослан 'й^'&^ихЫЩ 998 г,

Ученый секретарь диссертационного

совета, к. т. н. J/y . ^ И. Н. Курганова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Промышленные отходы являются во многих случаях загрязнителями окружающей среды. Эффективная их утилизация в настоящее время одна из важнейших технических проблем, от решения которой зависит улучшение экологической обстановки в районе нахождения крупных промышленных предприятий, нуждающихся в захоронении отходов своих производств.

Особое значение в загрязнении природной среды имеют промышленные сточные воды, отличающиеся большим разнообразием по составу, и часто сильно загрязнены и токсичны. Практика показывает, что наибольшее количество сточных, причем сильно загрязненных вод, сбрасывают объекты химической и горной промышленности.

Одним из широко распространенных способов захоронения жидких отходов является закачка сточных вод через систему поглощающих скважин в глубокие горизонты, непригодные для народно-хозяйственного использования. При этом в процессе эксплуатации таких скважин наблюдается снижение со временем проницаемости их призабойных зон пластов (ПЗП) из-за выпадения осадков различных веществ и закупорки ими пор пород-коллекторов и, как следствие, снижение производительности процесса закачки. Чтобы восстановить работоспособность таких хранилищ в настоящее время применяются широко известные методы, такие как соляно-кислотные (СКО) и тепловые обработки породного массива в ПЗП, гидроразрывы, различного рода вибродействия, имплозийные способы, перфорация и т.п. Однако, во многих случаях, это не дает эффективного результата. В большинстве таких случаях необходимо расширение старой и создание новой сети трещин, позволяющих резко улучшить фильтрационные характеристики массива в ПЗП.

Все это требует разработки специальных методов обработки ПЗП, одним из которых является использование энергии взрыва.

Целью диссертационной работы является разработка метода повышения производительности хранилища промышленных стоков с применением энергии взрыва.

Основные задачи работы:

1. Изучение закономерностей поведения пород-коллекторов поглощающих пластов при неравномерных динамических нагрузках.

2. Исследование влияния обсадки скважин на затухание взрывной волны в призабойной зоне пласта хранилища.

3. Разработка технологии повышения производительности хранилища промстоков с применением энергии взрыва.

4. Натурная отработка и внедрение разработанного метода при эксплуатации подземного хранилища промстоков.

Основные защищаемые положения:

1. Изменения физико-механических характеристик пород-коллекторов при динамическом нагружении позволяют повысить фильтрационные. возможности пластов в призабойной зоне хранилищ.

2. Обсадка скважины существенно снижает амплитуду напряжений в околоствольном массиве.

3. Применение энергии короткозамедленного взрыва приводит к повышению производительности пласта-хранилища за счет наведения трещеноватости в массиве.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Установлены Новые закономерности изменения физико-механических характеристик пород-коллекторов при динамическом нагружении, что позволяет разработать метод повышения фильтрационных возможностей пластов в призабойной зоне хранилищ.

2. На основании исследования взрывной волны в призабойной зоне впервые установлено, что обсадка скважины существенно (до 7-и раз) снижает амплитуду напряжений в околоствольном массиве.

3. Усовершенствована технология торпедирования пласта в режиме неравномерного нагружения.

4. Разработаны рекомендации по применению энергии короткозамедленного взрыва для повышения производительности хранилища промстоков.

Практическая ценность н реализация работы.

Предложенные методы и технология торпедирования пласта прошли опытно-промышленную проверку и использованы при повышении производительности хранилища промстоков на Астраханском ГПЗ.

От внедрения результатов исследований получен экономический эффект в размере 2,1 млн.руб. (в ценах 1992 г.). Результаты исследований и разработанные "Рекомендации по торпедированию нагнетательных скважин для увеличения их приемистости" могут быть использованы другими организациями, где возникают проблемы улучшения фильтрационных возможностей призабойных зон скважин.

Апробация работы. Работа и отдельные разделы докладывались и получили одобрение на школе-семинаре по взрывным явлениям (г.Алушта, 1991, 1992 гг.), на отраслевых совещаниях при Комитете по нефти и газу (г.Киев, 1994 г.), на научно-технических совещаниях в ПО "Оренбурггазпром"(г.Оренбург, 1989г.), "Астраханьгазпром" (г.Астрахань, 1989, 1990 гг.), "Мынгышлакнефть" (г.Актау, 1991 г.), газопромыслового предприятия "Ачакгаздобыча" (г.Газ-Ачак, 1991 г.), на научно-технических советах Институтов "АстраханьНИПИгаз" (г.Астрахань, 1989-1991 гг.), "Укргазпроект" ( г.Киев, 1991, 1992 гг.), на экспериментально-техническом семинаре ОГВ ИГФ HAH Украины (г.Киев, 1991-1994 гг.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Общий объем составляет 154 страницы, включая 26 рисунков на 26 страницах, 9 таблиц на 9 страницах, список использованной литературы из

126 наименований на 14 страницах и 2 приложений на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и дана ее общая характеристика.

В первом разделе диссертации приводится анализ состояния проблемы подземного захоронения жидких промышленных отходов производств в глубокие горизонты. Подчеркивается, что из-за снижения проницаемости пород-коллекторов призабойных зон в процессе бурения, освоения и экснлуатации скважин и в связи с загрязнением пористой среды глинистыми частичками, адсорбцией асфальто-смолистых составляющих и другими процессами, на поверхности каналов фильтрации призабойных зон пластов (ПЗП) возникают искусственные малопроницаемые барьеры, формируруются застойные зоны, препятствующие реализации потенциальной возможности скважин.

Важная роль в решении задачи повышения эффективности работы скважин принадлежит методам интенсификации их производительности, в разработку которых существенный вклад внесли известные ученые В.Н.Щелкачев, Г.Г.Вахитов, В.А.Амиян, А.Х.Мирзаджанзаде, А.Ш.Газизов, А.Т.Горбунов, Д.Н.Кузьмичев, М.А.Карнаухов, М.Л.Сургучев, Ю.П.Коротаев, Ю.П.Желтов,

Ю.АБалакиров, Ю.В.Зайцев, Р.С.Яремийчук, В.С.Бойко,

A.И.Акульшин, Ю.А.Зарубин, В.М.Дорошенко,

B.М.Светлицкий, А.А.Попов, а также другие ученые.

Анализ внедрения известных методов обработки скважин показывает, что их общим главным недостатком является низкое избирательное действие, что снижает их эффективность, при этом успешность обработок не превышает

50 % от их общего количества. Среди других характерных недостатков выделяются отток кислоты в хорошо проницаемые области пласта, в результате чего некоторые зоны

массива остаются необработанными; снижение эффективности действия с увеличением количества кислотных обработок; неудовлетворительное. состояние электронагревателей и коммутационных систем при тепловых обработках; дефицит растворителей и другие. Снижение эффективности обработки наблюдается на скважинах, где выбор методов осуществляется без учета изменений в скважинах в процессе их эксплуатации.

Что касается использования энергии взрыва, то традиционно применяемые методы перфорации скважин создают лишь зародышевые трещины, а действие пороховых генераторов давления дает небольшое количество трещин. При традиционных методах торпедирования скважин существенное повышение проницаемости массива наблюдается лишь в зоне дробления в массиве, а повышение массы заряда создает проблему сохранения устойчивости обсадных крлонн.

В то же время исследования показывают, что вид на-гружения существенно влияет на изменение физико-механических свойств горных пород. Они способны к разуплотнению своей структуры, т.е. увеличивать свой объем в условиях неравномерного нагружения. При этом, что достаточно важно, повышение проницаемости пород наблюдается и в допредельной области нагружения,что перспективно при обработке призабойных зон с целью повышения радиуса их обработки.

Значительный вклад в изучение явления разуплотнения пород при их нагружении внесли О.М.Ставрогин, В.Н.Николаевский, А.В.Михалюк, В.П.Нагорный, Н.Н.Павлова, А.Б.Фадеев, Е.Д.Певзнер, Е.В.Лодус, Ж.Д.Байерли, М.Д.Зобэк, С.О.Мюрелл и другие ученые.

Альтернативным методом повышения производительности скважин может стать взрывной способ, реализация которого позволила бы направленно управлять фильтрационными характеристиками массива, что обеспечило бы повышение проницаемости пород в ПЗП. Однако, недостаточная изученность вопроса о поведении пород-коллекторов в

условиях динамических нагружений не позволяет разработать эффективные технологические схемы использования энергии взрыва для интенсификации работы скважин. На основе изложенного автор работы сформулировал названные выше задачи и выбрал методы исследований.

Во втором^ разделе приведены результаты исследования поведения пород-коллекторов при неравномерных динамических нагрузках в лабораторных условиях.

Исследования в лабораторных условиях производили на образцах, изготовленных из керна горных пород. Образцы имели цилиндрическую форму, размеры их не превышали значений.

/гоф,0...7,5)-10~2л<; 5 КГ*.

Напряженно-деформированное состояние образцов при динамическом нагружении изучалось на специальном испытательном комплексе. Комплекс состоит из камеры, в которой размещается образец, контрольно-регистрирующей аппаратуры и систем для имитации горного и порового давлений. Динамическое нагружение образцов осуществляется ударом падающего груза в копровой установке марки 100-

ри-122.

Неравномерность нагружения образцов определялась параметром £ = ст3/0|, где а3 и Ор наименьшее и наибольшее главные напряжения. Различный вид напряженно-деформированного состояния в образцах создавался в зависимости от разного соотношения размеров образца и испытательной камеры, наличия или отсутствия в камере обжимающей образец жидкости. Это позволяло реализовать в образцах пород напряженно-деформированное состояние в широких пределах: от одноосного до всесторонне равномерного.

Изучение процессов деформирования в горных породах осуществлялось путем анализа диаграмм динамического деформирования горных пород. Информацию для построения таких диаграмм получали в результате обработки ос-

циллограмм экспериментов о временном изменении напряжений и деформаций в исследуемых образцах горных пород при их нагружений.

Результаты лабораторных исследований показали, что вид напряженно-деформированного состояния пород влияет на их упругие, деформационные и прочностные характеристики. Анализ графиков показывает, что предел упругости с увеличением неравномерности напряженного состояния (при изменении показателя от 0,2 до 0,05) существенно уменьшается. Это изменение составляет 4,5 раза для более прочных пород (известняк) и 2,7...3,1 раза для менее прочных (ангидрит, алевролит, аргиллит).

Влияние неравномерности нагружения на характеристики прочности пород - их величину сцепления и угол внутреннего трения, неодинаковый. Так, величина сцепления горных пород достаточно заметно изменяется при изменении вида напряженного состояния. Анализ показывает, что наименьшая величина сцепления наблюдается при меньших значениях показателя т.е. при повышенной неравномерности динамического нагружения. Изменение £ от 0,35 до 0,05 сопровождается уменьшением величины сцепления горных пород на 20...40 % от начального уровня и находится в достаточно хорошем совпадении с данными других исследователей. Угол же внутреннего трения д> от неравномерности напряженного состояния зависит в малой степени, к тому же определенной закономерности в его изменении в зависимости от величины г; не прослеживается. Это позволяет в практических расчетах влиянием изменения <р при различной неравномерности напряженного состояния в массиве пренебречь.

Установлено также, что с изменением величины величина отношения ст^С ( где Ст1 - наибольшее главное нормальное напряжение, С - величина сцепления породы при одноосном напряженном состоянии) существенно уменьшается. Это говорит о том, что повышение неравномерности нагружения на массив сопровождается падением

относительной величины разрушающего напряжения, а следовательно облегчается переход породы в предельное состояние, т.е. происходит ее разупрочнение.

Экспериментальные исследования образцов горных пород показали, что не только неравномерность динамического нагружения на образец, но и количество неравномерных нагружений достаточно заметно влияет на изменение свойств пород. Увеличение количества неравномерных нагружений приводит к снижению величины модуля Юнга до двух раз уже при четырех нагружениях (известняк, ангидрит).

Еще сильней последовательность неравномерных нагружений влияет на величину сцепления пород. Так, в известняке при четырехкратном нагружении значение величины сцепления снижается в 5,7 раза, для других пород (песчаник, алевролит) падение величины сцепления также достаточно заметно (в 3...4 раза).

Эксперименты показали, что породы-коллекторы (приводится песчаник) способны разуплотнять свою структуру в условиях неравномерного динамического нагружения, что выражается в увеличении объема образца в результате его деформирования, и как следствие, появлении отрицательной остаточной (необратимой) деформации. Анализ показывает, что повышение неравномерности нагружения сопровождается более значительной отрицательной остаточной деформацией, способствующей разуплотнению массива.

Установлено также, что для устойчивого разуплотнения структуры исследованных типов пород-коллекторов необходимо, чтобы показатель £ неравномерности нагружения массива находился в границах значений 0,1 ...0,13.

В, результате измерения проницаемости пород при различных значениях неравномерности напряженного состояния установлено, что значение относительного изменения проницаемости исследованных типов пород (на единицу

амплитуды давления) при изменении показателя < от 0,3 до 0,1 увеличивается в 4,5 раза.

Таким образбм, повышение неравномерности динамического нагружения на массив содействует разупрочнению горных пород, росту величины необратимой остаточной деформации и сопровождается появлением в массиве новых и развитием как новых, так и старых трещин, что в конечном результате приводит к повышению фильтрационных возможностей пород-коллекторов.

Экспериментальные исследования влияния горного давления на деформационный процесс проводились с использованием выше упоминаемого испытательного комплекса, позволяющего создавать начальное напряженное состояние в исследуемых образцах горных пород в пределах < 50 МПа. Перед выполнением экспериментов проводилось насыщение образцов жидкостью, для чего использовался керосин.

Насыщенные керосином образцы размещали в опытной камере, обеспечивали доступ минерального масла для создания давления на образец, после чего производилось импульсное напряжение на образец ударом свободно падающего груза.

Анализ результатов экспериментов позволил сделать два важных вывода. Первый - наиболее высокая скорость изменения модуля Юнга наблюдается до значений Рг= (2,5...3,0) • 107Па. Второй вывод - уже при значениях Рг =4,5 • 107 Па модуль Юнга увеличивается на 30...70 % от начального уровня, дальнейший же рост горного давления не приводит к существующим изменениям, что находится в хорошем совпадении с результатами других ученых.

В процессе проведения экспериментов установлено, что увеличение горного давления сопровождается снижением необратимой объемной деформации горных пород. Так, для песчаников с увеличением Рг от 0 до 50 МПа такое снижение составляет 1,7 раза.

Таким образом, результаты экспериментов показали, что горное давление вызывает изменение деформационного процесса горных пород. Повышение горного давления способствует процессу упрочнения пород, а следовательно уменьшается зона разрушений в породе при ее нагружении. При этом уменьшается также величина необратимой составляющей деформации, что в свою очередь приводит к ухудшению фильтрационных характеристик пород.

Что касается порового давления, то повышение его также приводит к ослаблению процесса разуплотнения горных пород. Анализ результатов экспериментов показывает, что с ростом порового давления остаточная объемная деформация горных пород уменьшается (в 5...7 раз с увеличением порового давления от 0 до 30 МПа).

Установленные закономерности поведения горных пород при неравномерных динамических нагрузках использованы при разработке взрывного метода повышения фильтрационных характеристик пород в ПЗП для интенсификации работы поглощающих скважин.

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных исследований взрывной волны в призабойной зоне скважины в полигонных условиях. Регистрация взрывных волн в околоскважинном пространстве осуществлялась с помощью датчиков напряжений, усилителя "Нейва" и осциллографа С 9-16. Количество каналов, одновременно фиксирующих взрывную волну - 4. Использовались два вида датчиков. Датчики с чувствительным элементом из кварца применялись для регистрации нормальной к их поверхности составляющей тензора напряжений. В датчиках второго вида, обеспечивающих регистрацию всестороннего давления в жидкости в наблюдательных скважинах, .чувствительный элемент был из турмалина.

Исследование взрывной волны в полигонных условиях осуществлялось на моделях скальной горной породы • из песчано-цементной смеси (ПЦС). Для этого была использована смесь с объемным соотношением песка и цемента 3:1. Размеры моделей - 0,5 х 0,5 х 0,5 м. Модели выдерживались

в течение 24 суток для достижения номинальной крепости. Для моделирования обсаженных скважин использовались отрезки трубы из стали (с наружным диаметром 3,9 • 10"2 м и толщиной стенки 2,0 • 10"3 м), которые вмуровывались в модели в процессе их изготовления. Необсаженные скважины имели диаметр 3,9 • 10'2 м.

Для создания импульсного нагружения на массив в призабойной зоне скважины использовались заряды взрывчатого вещества ТЭНа массой (1,5...4,5) • 10"3 кг при плотности 1,0 • 10 кг/м : Заряды располагались в гидроизолирующей оболочке из резины толщиной до 1,0 • 10'3 м. Инициирование заряда осуществлялось посредством электровзрыва проволочного мостика при разряде через мощную батарею конденсаторов. Время начала взрыва синхронизировалось со временем начала запуска разверток осциллографов, на которых производилось фиксирование сигналов, зарегистрированных датчиками.

Изменение параметров взрывных волн производилось на фиксированных расстояниях от оси скважины в плоскости, содержащей заряд взрывчатого вещества и датчики регистрации напряжений.

Для этого в модели параллельно оси скважины на-фик-сированных расстояниях от заряда предварительно изготавливались наблюдательные скважины диаметром 8,0 • 10"3 м, в которые в дальнейшем наливалась вода и располагались датчики с чувствительным элементом из турмалина.

Для определения радиальных напряжений в массиве из ПЦС при распространении взрывной волны использовалось известное решение задачи о взаимодействии поля напряжений в твердом массиве со скважиной, заполненной водой, позволяющее установить однозначное соответствие между зарегистрированным датчиком давлением Р (0 в жидкости наблюдательной скважины и механическим напряжением в массиве

/ \ ч Г- р тт1

где V - коэффициент Пуассона материала модели; р - его плотность; ир - скорость продольной волны в нем; р0 -плотность жидкости; ио - скорость взрывной волны в ней.

Датчики с чувствительным элементом из кварца вмуровывались заведомо в модель, располагались рядом с турмалиновыми датчиками и позволяли контролировать значение напряжений, определяемых согласно вышеприведенному выражению

До проведения экспериментов, были определены плотность, коэффициент Пуассона и скорость звука в материале моделей:

р = 2,06 • 103 кг/м3; У = 0,32; ир = 3064 м/с. Измерительная скважина заполнялась водой, для которой ра = 1,0 • 103 кг/см3 ; ио=1500м/с.

При проведении исследований было выполнено три серии экспериментов: для измерения параметров взрывных волн непосредственно в материале ПЦС, для регистрации волн в призабойной зоне скважины с обсадной трубой и без нее. В каждой серии использовалось по 4 модели из ПЦС. Зарегистрированные в каждой серии взрывов данные сравнивались между собой; что отражено в табл. 1 - 3. При этом приняты обозначения: а„, стот, стбот - максимальные радиальные напряжения в массиве из ПЦС, в призабойной зоне скважины с обсадной трубой и без нее, соответственно; г0 -радиус заряда; г / г0 - относительное расстояние.

Как видно из данных табл. 1, максимальные нормальные напряжения, зарегистрированные в призабойной зоне, заполненной водой и обсаженной трубой скважины, в которой произошел взрыв заряда, на расстояниях (6... 15) г0 составляют величину 90...21 % от величины напряжений в рассматриваемой области при взрыве заряда в массиве из ПЦС.

, Таблица I

Значение отношения — в зависимости от а.

г/г0 6 7 ; 8 9 10 12 15 20

сг. 90 71 57 47 40 30 21 13

Таблица 2

Значение отношения в зависимости от

<7бот

\ Г /г0 6 7 8 9 10 12 15 20

43 40 38 36 34 32 29 25

Таблица 3

Значение отношения в зависимости от <х„

г/г0 6 7 8 9 10 12 15 20

СГбот <уо ст. 211 177 151 132 117 96 73 52

Анализ данных табл. 2 показывает, что при взрыве заряда в заполненной водой скважине обсадка скважины трубой существенно влияет на амплитуду взрывных волн в призабойной зоне скважины. Так уже на расстоянии г / г0 = 20 величина напряжений стот составляет лишь 25% от напряжений (Тбот-

Из сопоставления данных, представленных в талб. 3, вытекает следующее. Значение напряжений в ближней области призабойной зоны скважины (где г/г0 не превышает 6...8) при взрыве заряда в необсаженой скважине, заполненной водой, значительно превышают напряжения, возникающие на тех же расстояниях при взрыве заряда в массиве из ПЦС (эти превышения достигают 1,5; 2,0 и более раз). При дальнейшем росте г / г0 уже на границе значений 11...12 наблюдается близость значений <г6от и стп, что соответствует нижней границе простирания радиальных трещин при взрыве зарядк в массиве из ПЦС. Сравнение в обоих рассмотренных случаях данных в интервале г = (10...15) г0 показывает, что амплитуда взрывных волн, распространяющихся в призабойной зоне при взрыве заряда в заполненной водой скважине снижается более сильно, чем при взрыве заряда непосредственно в массиве из ПЦС и уже при значении г /г0 = 20 составляет не более 52 %. Это свидетельствует о высокой скорости нагружения среды в ближней зоне скважины и диссипации энергии взрыва в результате более значительного затухания высокочастотных составляющих взрывного импульса.

Таким образом, обсадка скважин значительно снижает амплитуду взрывных волн в призабойной зоне скважины. Уже на расстоянии г / г0 = 20 такое снижение амплитуды достигает 4-х раз по сравнению со взрывом в породе из песчано-цементной смеси.

В четвертом разделе приводится разработка взрывного метода и технологии повышения производительности поглощающих скважин. Как было установлено в разд. 2, для повышения разуплотняющего действия взрыва в горных

массивах необходимо параметры нагружения выбирать таким образом, чтобы увеличить продолжительность напряженного состояния высокой неравномерности. При этом дилатансионное разуплотнение горных пород при неравномерных динамических нагрузках имеет необратимый характер, вследствие чего породы после такой обработки имеют более высокую проницаемость, чем в естественном состоянии. Среднее нормальное напряжение резко уменьшается, что снижает уплотняющее действие взрыва и способствует ускорению фильтрационных процессов.

Изменять вид напряженного состояния породы предлагается посредством взаимодействия взрывных волн от нескольких зарядов, взрываемых с замедлением. В условиях геотехнологических скважин требуемую неравномерность напряженного состояния массива можно достигнуть в результате суперпозиции волновых процессов при взрыве Нарядов, расположенных в одной скважине.

Анализ экспериментов о временном изменении глав-ч ных напряжений о3 и О] и показателя с, неравномерности нагружения среды показал, что наиболее предпчтительными (с точки зрения высокой неравномерности и длительности ее существования за время действия взрывных импульсов) являются две схемы взаимодействия зарядов. При ведении взрывных работ по первой схеме время замедления взрывания зарядов между собой А1 = ^ где ^ - время существования положительной фазы <т3 (0 от первого взрыва. Во второй схеме Л1 = 1н - время возрастания амплитуды СТ1О) от взрыва первого заряда до максимального значения. Значения ^ и определяются по формулам

где С2 - масса заряда; а0, ан, Ь0, Ьн - коэффициенты, определяемые по результатам нагружения пород; £=1, 2, 3 - при плоской, цилиндрической, сферической симметрии взрыва, соответственно.

Для реализации короткозамедпенного взрывания зарядов в скважине с целью создания в массиве призабойной зоны пласта неравномерных динамических нагрузок разработана и применялась торпеда специальной конструкции.

Суммарный заряд торпеды состоит из нескольких зарядов, взрыв которых с замедлением обеспечивает возможность создания в массиве суперпозиции волновых процессов. Общая масса зарядов в торпеде определяется по формуле -

з(&т-гр)-2ГрМт 2а+Ур

в=

где Ьт - требуемая глубина взрывной обработки массива в ПЗП; Ур - скорость продольных волн в массиве, подлежащем взрывной обработке; ос+ и Ь+ - параметры, характеризующие продолжительность действия взрывной волны и определяемые по/результатам взрывного нагружения пород; гр - граница распространения трещин разрыва в породе при взрыве заряда, определяемая по известным формулам.

Количество зарядов в торпеде определяется требованием создания в обрабатываемом массиве максимальной протяженности во времени напряженно-деформированного состояния высокой неравномерности.

Необходимое время замедления взрыва зарядов в торпеде реализуется отрезком детонирующего шнура (ДШ) соответствующей длины, размещаемом в межзарядном промежутке. В случае, когда длина ДШ больше межзарядного промежутка, он навивается на цилиндрический стержень (чаще всего деревянный), размещаемый также в межзарядном промежутке. Шаг витков Ьв определяется из условия предотвращения прямой передачи детонации по скважин-ной жидкости

1 и Я

где /в - длина витка; Д - скорость детонации ДШ; Уу -скорость ударной волны в скважинной жидкости.

Количество витков Ив отрезка /ш определяется согласно выражению

ЛГв=/ш//в •

Длина межзарядного промежутка Ь равна I =Ыв-Ив=1ш-Ив/1в .

Заряды и отрезок детонирующего шнура размещают в специальном корпусе торпеды (из дюралюминия) для предотвращения повреждения всей сборки зарядов при опускании ее в требуемый интервал обработки массива. Опускание торпеды производится с помощью штатных спуско-подъемных механизмов. Инициирование торпеды осуществляется электрическим способом, начиная с первого заряда.

При проведении работ по торпедированию скважин значительные нагрузки от взрыва передаются как в породный массив призабойной зоны, за счет чего происходит разрушение породы и повышение ее проницаемости, так по флюиду, заполняющем скважину, и именно такого вида на-гружения могут привести к аварийному состоянию обсадных колонн, появлению межпластовых перетоков и т.п. Для предотвращения таких нежелательных явлений использовали средства защиты скважин, которые понижают амплитуду взрывной волны при распространении ее по скважинной жидкости до безопасного уровня.

При выборе того или иного метода защиты скважин от поражающего действия взрывной волны необходимы предварительные знания о возможных величинах допустимых давлений в основной колонне, при которых гарантируется ее целостность и герметичность. В работе предложен метод, согласно которому граничное давление Рф в основной колонне определяется из условия, что равные по величине радиальные перемещения внутренней поверхности цементного кольца и внешней стенки обсадной трубы при таком давлении вызывают граничные напряжения в цементном кольце.

Главные требования к способам защиты скважин заключаются в достаточной эффективности гашения взрыв-

ных волн, высокой надежности и безаварийности в работе и, до некоторой степени, простоты изготовления и применения. В применяемых в настоящее время гасителях, действие их чаще всего основано на двух факторах: диссипации энергии ударной волны и на запирании продуктов детонации в некотором ограниченном объеме. В работе использован первый путь снижения амплитуды взрывной волны и предложена конструкция гасителей в виде эластических оболочек, наполненных сыпучим материалом (чаще всего песком). Основными преимуществами таких средств защиты скважин является возможность изготовления их из недефицитных компонентов, простота в изготовлении, достаточная мобильность и надежность в эксплуатации. Устанавливаются такие гасители на расстоянии 1,0-2,0 м над торпедой. Верхнее закрепление гасителя на геофизическом кабеле жесткое и предупреждает скольжение его по кабелю, нижнее - полужесткое. Каждое такое средство защиты способно снижать амплитуду взрывной волны до 2-х раз. Установка в скважине на расстоянии 2,1 м над торпедой (с массой заряда 7,0 кг) одного гасителя типа эластической оболочки с песком позволяет уже на расстоянии 4,4 м от очага взрыва снизить давление во взрывной волне до 100 МПа. При необходимости более эффективного гашения взрывной волны устанавливается несколько таких гасителей на расстоянии 1,0...2,0 м один от другого.

В пятом разделе приведены результаты промышленного внедрения разработанной технологии повышения производительности скважин. Объектами внедрения рекомендованных разработок были поглощающие скважины № 112 и №113 полигона промстоков Астраханского газоперерабатывающего завода (ГПЗ).

Анализ работы полигона позволяет сделать следующие выводы: количество закачиваемых промстоков постепенно возрастает с 80-100 м3/сут в 1987 г. до 300-360 м'/сут в 1996 г. (при проектной производительности до 1000 м3/сут) и составило за 9 лет работы полигона около 800 тыс.м3;

система наблюдательных скважин на водоносные горизонты позволяет достоверно контролировать экологическую ситуацию на полигоне, стоки локализуются в пределах границ полигона; нагнетательные скважины полигона из-за высоких устьевых давлений (до 8,0-9,0 МПа) работают в предельном режиме, что связано с потерей пористости приза-бойных зон скважин; для поддержания работоспособности полигона необходимо применение методов восстановления проницаемости ПЗП и приемости скважин.

Причиной быстрого роста устьевого давления и снижения приемистости нагнетательных скважин является сложный состав промстоков Астраханского ГПЗ: высокое содержание углеводородного конденсата, сероводорода, щелочной состав стоков, из-за чего в призабойной зоне пласта выпадают в виде осадка сера, гидраты окислов кальция и магния, а углеводородный конденсат снижает проницаемость коллекторов вплоть до полного "запирания" призабойной зоны. Для устранения подобных осложнений проводились СКО призабойной зоны раствором соляной кислоты в объеме от 20 до 80 м\ которые на определенный период (от 2-х до 3,5 месяцев) частично восстанавливали приемистость скважин. При этом отмечено постепенное снижение эффективности СКО, а частоту их проведения пришлось увеличить до 6-8 раз в год на каждую нагнетательную скважину.

В таких условиях П "Астраханьгазпром" приняло решение о применении метода интенсификации работы нагнетательных скважин, основанного на разуплотнении структуры околоскважинного пространства под действием неравномерных динамических нагрузок, возникающих при ультракороткозамедленном взрывании зарядов в торпеде.

Взрывные работы на скв. № 112 и № 113 производились при таких исходных данных. Глубина скважин 1800 м, перфорация в интервале 1545... 1563 м против пористых песчаных пластов верхнеюрского поглощающего горизонта.

По данным анализа кернового материала характеристики пород песчаных пластов следующие: ос = 420 • 105 Па; Е = 1,2 • 1010 Па; У= 0,25; р = 2440 кг/м3; V = 2530 м/с; ш = 24 %.

Для оценки изменений в параметрах поглощающих пластов проводились гидродинамические исследования скважин как до начала, так и после производства взрывных работ. Гидродинамические исследования скважин для определения параметров пласта (коэффициента гидропроводно-сти кЬ/ц, подвижности жидкости К !\х и проницаемости породы пласта К) проводились двумя методами: метрдом установившихся отборов и методом восстановления давления. Данные исследований при установившихся режимах использовали для определения параметров пласта непосредственно в его призабойной зоне. На основании исследований при неустановившихся режимах устанавливали радиус загрязнения призабойной зоны, а также определяли параметры пласта в удаленной его области.

Режим работы эксплуатации нагнетательных скважин изменялся с помощью регулирующих устройств на насосной станции, а забойное давление контролировалось манометром, установленным на устье.

За результатами гидродинамических исследований методом установившихся отборов строились индикаторные диаграммы исследуемых скважин. Принимая известный закон притока жидкости Дюпюи с учетом несовершенства скважины из индикаторных диаграмм вначале установили коэффициенты продуктивности скважин до их торпедирования: К = 45 м7(сут-МПа) (скв. №112) и К = 101,8 м3/(сут-МПа) ( скв. № 113). Используя установленные значения, определили параметры пластов непосредственно в призабойной зоне. При этом для скв. № 112: КЬ/ц = 7,56 • 10"10 м7(с • Па); К /ц = 0,42 • 10"'° м2/(с • Па); К = 0,42 • 10~13 м2;

для СКВ № 113: К h/ц = 17,16 • Ю"10 м7(с • Па); К/ц = 1,14 • КГ10 м2/(с ■ Па); К= 1,14 • 1013 м2.

На втором этапе гидродинамических исследований до начала торпедирования скважин с применением метода восстановления давления строились кривые восстановления забойного давления в скважинах после их остановки в координатах АР, Int. Определив угловой коэффициент, равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой восстановления забойного давления, в дальнейшем установили величину проницаемости пластов в удаленных их областях: скв. № 112 к= 2,07 ■ Ю-13 м2; скв. № 113 К = 2,23 • 10'13 м2.

Сравнение результатов исследований двумя методами показало, что проницаемость пород в удаленных зонах пластов в 4,93 (скв. №112) и 1,96 раза (скв. № 113) выше, чем проницаемость пластов вблизи скважины, что указывает на загрязнение пластов в призабойных зонах.

Расчет радиусов R загрязнения ПЗП и скин-эффекта S

4 показал, что при высоких значениях S = 13,0 (скв. № 112),

5 = 2,9 (скв. № 113) имеет место и глубокое загрязнение пород в призабойной зоне R = 5,9 м (скв. № 112),

R = 4,3 м (скв. № 113), что указывает на необходимость проведения работ по улучшению состояния ПЗП и в данной работе достигается путем торпедирования скважин по рекомендованной технологии.

При расчете параметров взрывных работ массы зарядов для разуплотнения массива определяли с учетом необходимой глубины взрывной обработки массива в ПЗП, которая принималась не меньшей, чем радиус загрязнения пластов призабойных зон. Для скв. № 112 необходимая масса заряда в торпеде составляла 10 кг (два заряда по 5,0 кг каждый), для скв. № 113 - 3,5 кг (два заряда по 1,75 кг).

В соответствии с результатами экспериментальных исследований разуплотнение исследованных песчаников при показателе неравномерности нагружения ^ = 0,1 (с учетом необходимых радиусов обработки призабойных зон) реали-

зуется при режиме взаимодействия зарядов, когда подрыв второго заряда осуществляется в момент спада напряжения о3 (0 от взрыва первого заряда до нуля. При этом время замедления подрыва зарядов в торпедах составляет: для скв. № 112 - А1 = 5,51 • 10"4 с,

для скв. № 113 - = 4,02 • 10 с и реализуется отрезком ДШ длиной 4,35 м и 3,17 м.

В соответствии с расчетными параметрами взрывных работ было осуществлено торпедирование скв. № 112 и скв. № 113. Работы производились с использованием двух торпед на каждой из скважин: центр первой торпеды размещался на глубине 1560 м, второй - 1550 м.

Для гашения взрывной волны и обеспечения целостности колонны в зоне выше перфорации применялись средства защиты скважин (две резиновые оболочки с песком), устанавливаемые на расстоянии 2,0 м над торпедой.

После торпедирования были проведены гидродинамические исследования скважин с применением метода установившихся отборов. Было установлено, что после производства взрывных работ параметры пластов непосредственно в ПЗП достигли значений: скв. № 112 - КЬ/ц = 42,12 • Ю"10 м3/(с • Па); К/ц = 2,34 • Ю'10 м2/(с • Па); 1С = 2,34 ■ 10"13 м2; скв. № 113 - К Ь/ц = 92,55 • Ю'10 м3/(с ■ Па); К/ц = 6,17 • Ю'10 м2/(с • Па); К = 6,17 ■ 10"13 м2.

Сопоставление результатов гидродинамических исследований до и после торпедирования скважин показало, что после производства взрывных работ параметры пластов непосредственно в ПЗП существенно улучшились, в результате чего увеличились коэффициенты продуктивности скважины в 6,2 раза (скв. № 112) и 7,9 раз (скв. №113).

Особого внимания заслуживает факт устойчивости полученного эффекта в течение 10 месяцев (скв. № 112) и 17 месяцев (скв. № 113), что говорит о перспективности примененной технологии, которая может быть рекомендована

для повышения эффективности работы скважин различного целевого назначения.

Следует отметить, что примененный комплекс средств защиты скважин позволил обеспечить сохранность колонны в зоне, расположенной выше границы перфорации и подтверждено анализом геофизических исследований, выполненных до и после торпедирования скважин.

Экономический эффект от внедрения взрывного метода интенсификации работы нагнетательных скважин составил 2,1 млн.руб. (в ценах 1992 г.).

Основные результаты и выводы:

В диссертационной работе осуществлено новое решение актуальной научной задачи повышения производительности поглощающих скважин на основе установленных закономерностей разуплотнения горных пород при неравномерных динамических нагрузках и применения энергии взрыва, что имеет важное народно-хозяйственное значение.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Экспериментально в лабораторных условиях установлено: вид напряженного состояния в массиве влияет на упругие, прочностные и деформационные свойства горных пород; снижение упругих и прочностных характеристик пород в результате увеличения неравномерности нагруже-ния массива достигает 1,5...2,0 и более раз; для устойчивого разуплотнения структуры основных типов пород-коллекторов необходимо, чтобы показатель неравномерно-:ти нагружения находился в границах значений 0,1...0,13; увеличение неравномерности нагружения сопровождается эостом необратимой составляющей объемной деформации 1 увеличением проницаемости горных пород до 4,5 раз и 5олее.

2. Экспериментально установлено, что в лабораторных условиях повышение горного и порового давлений увелчи-

вает сопротивление пород деформированию, уменьшает ди-латансионное разуплотнение горных пород.

3. Экспериментально в полигонных условиях впервые установлено, что обсадка скважин существенно снижает амплитуду взрывных волн в призабойной зоне скважины. Уже на расстоянии равном 20 радиусов заряда снижение амплитуды достигает 4-х раз по сравнению со взрывом в необсаженной скважине с водой и в 7,5 раз по сравнению со взрывом в твердой породе из песчаноцементной смеси.

4. Гидродинамическими исследованиями скважин в промышленных условиях установлено, что обработка пород-коллекторов неравномерными динамическими нагрузками повышает подвижность жидкости, увеличивает гидро-проводность и проницаемость массивов в призабойной зоне скважин в 6...7 и более раз.

5. Разработан метод повышения производительности хранилища промстоков, основанный на создании в призабойной зоне пластов неравномерных динамических нагрузок, который в отличие от известных методов обработки скважин имеет повышенную избирательность действия, высокую эффективность и мобильность в применении.

6. Усовершенствована технология торпедирования поглощающих пластов, что позволяет вести обработку скважин в режиме ультракороткозамедленного взрывания. Основными элементами предлагаемой технологии являются: конструкция торпеды, реализующая короткозамедленный взрыв зарядов; схемы подрыва зарядов в торпеде для создания в массиве ПЗП неравномерного динамического на-гружения; средства защиты скважин, обеспечивающие снижение амплитуды взрывной волны до безопасного для основной колонны.

7. Разработана методика определения параметров взрывных работ и впервые разработана нормативная документация по применению рекомендованной технологии для повышения производительности хранилища промстоков.

8. Результаты диссертационной работы прошли опыт-;о-промышленную проверку и внедрены при повышении ффективности работы поглощающих скважин Астраханкою ГПЗ. При этом коэффициент продуктивности пласта величился в 6,2...7,9 раза, положительный эффект устой-ивый во времени и наблюдается в течение 10...17 месяцев заботы хранилища.

Общий подтвержденный экономический эффект от недрения результатов исследований в народное хозяйство оставил 2,1 млн.руб. (в ценах 1992 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в ледующих работах.

1. Захоронение промышленных стоков на Астрахан-ком газовом комплексе / Токунов В.И., Филянский H.A., 1оляков Г.А. и др. - Газовая промышленность, 1994, № 6, ;. 37.

2. Торпедирование нагнетательных скважин на Астраханском ГКМ / Михалюк A.B., Нагорный В.П., Семенякин i.C. и др. - Газовая промышленность, 1991, № 10, с. 8-9.

3. Повышение производительности скважин с приме-гением энергии взрыва / Нагорный В.П., Куль А.И., Филян-;кий H.A., Семенякин П.В. - Газовая промышленность, .998, №2, с.

4. Рекомендации по торпедированию нагнетательных :кважин для увеличения их приемистости / Михалюк A.B., Тагорный В.П., Ильин А.Ф. и др. - К.: Книжн. типограф, гаучн. книги, 1993. - 18 с.

5. Технология увеличения приемистости нагнетатель-!ых скважин / Михалюк A.B., Нагорный В.П., Семенякин i.C. и др. - К.: 1991. - 3 с. / Препр. (HAH Украины. Ин-т еофизики).

6. Експериментальш доошдження вибухово1 хвшй в фивибшшй 30Hi при вибус1 заряду в свердловиш / "лшський Г.Я., Нагорний В.П., Фшянський М.А.: 1н-т

геоф1з. HAH Украши. - Knie, 1997. - 13 с. - Укр. - Деп. в ДНТБ Украши 02.06.96, № 345 - Ук. 97.

7. Исследование деформирования горных пород при динамической нагрузке / Нагорный В.П., Филянский H.A., Пономаренко Д.В. и др. Ин-т геофиз. HAH Украины. - Киев, 1997. - 14 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 27.10.97, № 540 - Ук. 97.

Лицензия № 020873 от 20 мая 1994 г. Подписано к печати 17.04.1998 г. Заказ 31. Тираж 100 Ф-т 60x84/16. Объем: 1,5 уч.-изд.л.

Отпечатано на ротапринте ВНИИГАЗа

Соискатель

Н.А.Филянский