автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Вибросейсмическое воздействие и технические средства его реализации на поздней стадии разработки нефтяных месторождений

На правах рукописи УДК 622.276.6 Для служебного пользования Экз. _

ЛОПУХОВ ГЕННАДИЙ ПЕТРОВИЧ

ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВ А.ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ НА ПОЗДНЕЙ СТАДИИ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.15.06 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2000 г.

| г " .......?..... ,

■ ¿Г

»

I ' 1 ¡1

----- :: \ I

Работа выполнена во Всероссийском нефтегазовом научно-исследовательском институте имени академика А.П.Крылова (ВНИИнефть).

Официальные оппоненты -доктор технических наук, профессор ,

почетный академик РАЕН Вахитов Г.Г.

доктор технических наук; профессор Закиров С.Н.

доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН Николаев A.B.

Ведущее предприятие - ВНИИгаз

Защита состоится ^ июня 2000 г. в if часов на заседании диссертационного совета Д.053.27.04 ВАК РФ по присуждению ученых степеней доктора технических наук при Российском государственном университете нефти н газа имени И.М.Губкина по адресу:

117917, ГСП -1, г. Москва, Ленинский проспект, 65, РГУ нефти и газа.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа. Автореферат разослан ^^ -f 200g г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д.053.27.04, доктор технических наук, профессор

1/36/. У. /9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время улучшение использования природных ресурсов, повышение нефтеотдачи пластов, применение экологически чистых технологий разработки и добычи полезных ископаемых будет определять экономическое и социальное развитие в России.

В 90-е годы резко ухудшилась сырьевая база вследствие выработки наиболее продуктивных запасов нефти. В основных нефтедобывающих районах

России в настоящее время средняя обводненность продукции эксплуатационных »

скважин превышает 80%. Эксплуатация скважин с изношенным оборудованием приводит к их частой остановке, что еще больше нарушает принятые системы разработки.

После окончания разработки нефтяных месторождений традиционными способами в недрах остается от 40 до 70% первоначальных запасов нефти. Остаточная нефть в масштабах страны оценивается миллиардами тонн, а проблема повышения конечной нефтеотдачи представляет огромную важность.

Увеличить коэффициент отбора нефти из месторождений, на которых прекращена разработка, можно только за счет поиска и применения новых технологий доразработки. Решение такой глобальной проблемы, как сохранение в строю действующих месторождений, на которых возможности традиционных технологий исчерпаны, имеет и чисто нравственный аспект, который заключается в том, что будет дольше использоваться опыт, знания и навыки обслуживающего персонала, людям не надо будет искать другую работу и переучиваться, что в городах нефтяников сделать очень сложно.

В этой связи развитие основ низкочастотного вибросейсмического воздействия и технических средств его реализации на поздней стадии разработки нефтяных месторождений весьма актуально.

Цель работы - на основе физико-математической модели динамик* нефтяного обводненного пласта в поле упругих колебаний создать методы к технические средства эффективной передачи энергии наземных вибросейсмических источников в продуктивную толщу для вовлечения I фильтрационный поток остаточной нефти из заводненных пластов.

Поставленная цель достигается путем анализа и обобщения литературны; данных, усовершенствования физико-математических моделей, проведение экспериментальных лабораторных и промысловых исследований.

Основные запачи исглепований.

1) изучение механизмов низкочастотного вибросейсмического воздействие на обводненные нефтяные пласты;

2) создание и промысловые испытания эффективных методов I технических средств повышения эффективности передачи энергии от наземны; источников колебаний в обводненный нефтяной пласт;

3) обоснование и внедрение комплекса новых высокоэффективны) технических средств для проведения технологий низкочастотногс вибросейсмического воздействия.

Методы_решения поставленных чалач и посгговерность пппученньп

результатов. Поставленные задачи решались на основе анализа и обобщении литературных данных, создания математических моделей, лабораторных к промысловых исследований с использованием серийно выпускаемой контрольно-измерительной аппаратуры, прошедшей метрологический контроль Теоретические выводы подтверждены промысловыми и лабораторными результатами. Результаты промысловых исследований получены на основе апробированных методик, повсеместно применяемых на месторождении.

Научная новизна работы заключается в

*

- построении математических моделей гравитационного всплытия больших апель нефти в заполненных водой цилиндрических капиллярах с епроницаемыми и перфорированными стенками;

- разработке алгоритма и программы, описывающих вероятностную модель равитационного разделения нефти и воды в пласте, подвергаемом ибровоздействию, и времени образования в нем связанной фазы нефти с учетом аскадного диффузионного слияния капель;

- установлении критерия подвижности капель нефти в обводненном пласте, читывающего эффект волнового воздействия;

- исследовании механизма струйной гравитационной фильтрации в рехмерных осесимметричных моделях пористой среды и влиянии ысокочастотных колебаний на этот процесс;

- экспериментальном установлении иерархической блочной структуры ефтяного пласта;

- разработке математической модели иерархического блочного нефтяного ласта;

- исследовании влияния напряженного состояния горной породы, оздаваемого статическим годжатием грунта распорным источником, на ффективность излучения продольных колебаний наземным вибрационным сточником;

- исследовании влияния согласующих сред из резины и полиуретана на ффективность излучения колебаний вибрационным источником типа СВ-10/100

горную породу;

- экспериментальном обнаружении важной закономерности повышения ровня акустического шума в нефтяном пласте при вибровоздействии;

- исследовании эффективности алектрогидравлических вибрационны: источников типа СВ-10/100, применяющих устройства пригруза инерционно] массы;

- исследовании динамики сеймического вибратора с электрогидравлическ: сервоприводом, сопряженного с размещенным в скважине волноводн] устройством;

- построении математической модели распространения упругих колебанш по волноводу, установленному в скважине, заполненной водой, что послужил! разработке компоновок волноводных устройств доставки энергии колебаний д| глубин 1500 м и обоснованию их эффективного использования;

- установлении корреляции между уровнями закачиваемой энергии в плас и технологическими показателями работы добывающих скважин во времени;

- установлении волноводного распространения сейсмических колебаний I нефтяном пласте;

- промысловой проверке эффективности вибросейсмического воздействш на процессы капиллярного перераспределения в заводненном пласте.

Практическая значимость результатов диссертяиионной работы.

На основе собственных теоретических, лабораторных и промысловы: исследований механизма вибросейсмического воздействия на заводненньк нефтяные пласты, анализа и обобщения опыта применения источнике! колебаний в методах увеличения нефтеотдачи автором созданы и внедрены:

- способы повышения эффективности передачи энергии от наземной виброисточника в горный массив, включающий пласт и устройства для и; осуществления;

- методика сборки комплекса технических средств вибросейсмическоп воздействия и проверки его работоспособности на основе наземной

электромагнитного молота, сопряженного с размещенным в скважине волноводным устройством ;

- высокоэффективные технические средства, отвечающие требованиям, предъявляемым к устройствам для осуществления технологии вибросейсмического воздействия.

Реализация работы_в промышленности. Научные результаты

диссертационной работы вошли составной частью в проекты проведения опытно-промысловых работ по вибросейсмическому воздействию на опытных участках месторождений Чангыр-Таш (1988), Жирновское (1990). На основе научных результатов диссертационной работы выполнены проекты проведения опытно-промысловых работ по внбросейсмическому воздействию на опытных участках месторождений Мармовичское (1990), Северо-Варьеганское (1990), Павловское (1993). Результаты промысловых и полигонных исследований использованы при проведении опытно-промысловых работ по вибросейсмическому воздействию в ПО "Киргизнефть", Жирновское НГДУ, НГДУ "Чернушканефть".

Апробяння работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и были представлены на: Республиканской научно-технической сонференции молодых ученых и специалистов, г. Шевченко, 1987; Всесоюзном :еминаре по современным проблемам нефтегазопромысловой механики, 11-13 жтября, 1988, г. Баку; 3-ем Всесоюзном семинаре "Современные проблемы теории фильтрации", 16-18 мая 1989 г., ИПМ АН СССР, Москва; Всесоюзном совещании 'Современные методы увеличения нефтеотдачи пластов", 25-28 сентября, 1989 г., Зугульма; Международной конференции "Проблемы комплексного освоения рудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов", 4-8 октября 1994 года, Казань; 8-ом Европейском симпозиуме по увеличению нефтеотдачи пластов 15-17 лая 1995 г, Вена; Всероссийской научной конференции "Фундаментальные

проблемы нефти и газа" 22-25 января 1995 г. Москва; 15-ых Губкинских чтения? 15-17 октября 1996 г., Москва; Научно-теоретической конференции 7-9 феврале 1997 г. в ИГД, Москва; 9-ом Европейском симпозиуме по увеличению нефтеотдач! пластов 22-24 октября 1997 г., Гаага; Научно-практической конференция "Приоритетные методы увеличения нефтеотдачи пластов и роль супертехнологий' 25-26 марта 1997 г., Бугульма; 10-ом Европейском симпозиуме по увеличеник нефтеотдачи пластов 18-22 августа 1999 г., Брайтон. Обсуждались на заседания; Ученого Совета и секций ОАО "ВНИИнефть", а также на заседаниях научно-технических советов ПО"Киргизнефть", ПО"Белоруснефть", Жирновское НГДУ НГДУ'Чернушканефть".

Пубгсигякии- По результатам выполненных исследований опубликовано 42 работы, в том числе 11 авторских свидетельств и 1 свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 8 разделов, включая введение и заключение, списка литературы. Работа содержит 31 о страниц . текста, в том числе 91 рисунок, 52 таблицы и список литературы, включающий 341 наименование.

Работа написана по материалам научных исследований, выполненных автором в НПО "Сейсмотехника" и в лаборатории волновых методов воздействия на нефтяные пласты ОАО "ВНИИнефть". Автор выражает глубокую благодарность Э.М.Симкину, В.Е.Влюшину, А.Б.Погосяну, В.П.Вагину, Э.В.Стремовскому, А.И.Шнирельману, В.П.Степанову, А.В.Глазуновой, всем коллегам, совместно с которыми обсуждались вопросы вибровоздействия на нефтяные пласты и выполнен ряц изложенных в работе результатов.

Автор выражает свою искреннюю признательность профессорам М.Д.Розенбергу, В.Н.Николаевскому, А.Т.Горбунову за внимание к работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, перечислены методы решения поставленных задач и изложены основные результаты исследований.

Первоначально поиск новых технологий доразрабогки месторождений был подсказан естественным процессом гравитационной фильтации нефти и воды в заводненных пластах. Действительно, современные нефтяные месторождения образовались в геологических ловушках в результате непрерывно действующей гравитационной миграции нефти и воды.

Как отмечали Н.А.Еременко, С.П.Макснмов и академик А.П.Крылов, после окончания разработки нефтяных месторождений остаточная нефть под действием гравитации, очевидно, будет стремиться аккумулироваться вновь в тех же ловушках, образуя вторичные нефтяные залежи.

Однако, в естественном процессе для такого вторичного переформирования нефтяных залежей, очевидно, потребуются геологические периоды времени.

Именно поэтому возникла идея (А.П.Крылов, МЛ.Сургучев, А.Г.Ковалев, А.К.Курбанов, Э.М.Симкин ) ускорить процессы аккумуляции за счет вибрационнбго воздействия на пласт. В случае успеха стала бы возможной повторная разработка нефтяной залежи спустя сравнительно небольшие сроки.

Здесь уместно сослаться на мнение одного из авторитетных американских специалистов в области повышения нефтеотдачи Х.К. ван Пуллена (РооИеп), который считал нужным "использовать естественные тенденции гравитации, капиллярности, разрыва функций фазовых проницаемостей для того, чтобы концентрировать жидкость в более проницаемых частях коллектора, откуда легче наладить ее добычу, чем бороться против капиллярных сил". Предложение Х.К. ван Пуллена сводится к тому, чтобы ускорить "естественную тенденцию углеводородных жидкостей к движению под действием двух сил: силы тяжести и

капиллярных сил в промытые водой участки коллектора, которые выработаны до экономических пределов".

Тем самым вибросейсмическое воздействие может стать катализатором, ускоряющим естественный процесс гравитационной фильтрации.

Помимо возможностей ускорения гравитационной фильтрации нефти и воды согласно другому варианту вибросейсмического воздействия (А.Г.Асан-Джалалов, В.В.Кузнецов, И.Г.Киссин, А.В.Николаев, В.Н.Никсшаевский, Р.И.Урдуханов), его следует проводить в условиях напорной фильтрации на месторождениях, характеризующихся высокой степенью обводненности.

В основу этого предложения были положены исследования A.B. Николаева, М.А. Садовского, В.Н. Николаевского, Э.М. Симкина.

Наконец, третий вариант виброволновой технологии состоял в воздействии на призабойные зоны скважин. Важный вклад в создание и внедрение высокоэффективных технологий обработки призабойной зоны скважин внесли основополагающие исследования С.М. Гадиева, Р.Ф. Ганиева, ОЛ. Кузнецова, В.П. Дыбленко, С.А. Ефимовой и других.

Тесно примыкают к виброволновому методы и приемы медленных, циклических воздействий на пласт (MJI. Сургучев, А.А.Боксерман, О.Э.Цынкова, В.Г.Оганджанянц, К.Э.Музафаров, МЛ.Коржаев, A.A.Кочешков).

В первой главе рассмотрены виброволновые и вибросейсмические методы воздействия на нефтяные пласты, приведен обзор и анализ предшествующих исследований, сформулированы задачи предлагаемой диссертации.

В разделе 1.1 приведены физико-технологические положения вибросейсмического воздействия на нефтяные пласты на основе большого фактического материала предыдущих лабораторных и промысловых исследований.

Выделены эффекты изменения физических свойств углеводородных жидкостей в поле колебаний. Фэарбенкс (Fairbenks) и Чен (Chen) исследовали изменение межфазного натяжения; Гадиев С.М., Давликамов В.В., Хабибулин З.А., Кабиров М.М., Дубинский И.С., Жуйков Ю.Ф., Пименов Ю.Г. Падалка Е.С., Соколов A.B., Симкин Э.М. отмечали влияние на вязкость углеводородных жидкостей высокочастотных колебаний; Еникеев P.M. - низкочастотньК колебаний.

Упругие колебания взаимодействуют с тепловыми и электрическими полями (Жаворонков Н.М., Нехорошее А.В, Г^сев Б.В.), а также влияют на процессы фильтрации в пористых средах. Отмечено влияние высокочастотных упругих колебаний на увеличение абсолютной проницаемости пористой среды в условиях напорной однородной фильтрации (Черский Н.В., Царев В.П., Коновалов В.М., Кузнецов ОЛ.).

Существующие теории описывают процесс гравитационного разделения в поле упругих колебаний с позиций двухфазной фильтрации несмешивающихся и несжимаемых жидкостей в однородной по проницаемое tu пористой среде. Изучение влияния поля внешних сил сводится к декларированию определенных отдельно установленных фактов по влиянию этого поля на входящие в систему уравнений двухфазной фильтрации параметры: решается система уравнений фильтрации с измененными параметрами абсолютной и относительной проницаемости несмешивающихся фаз, вязкости нефти, поверхностного натяжения на границах раздела фаз и капиллярного давления (Симкин Э.М., Вербицкая Т.В.). Предложена модель (Симкин Э.М.), согласно которой в поле упругих колебаний происходит изменение относительной проницаемости нефти и воды в результате выделения некоторого дополнительного количества свободного

газа из нефти, поскольку действие вибрации эквивалентно повышению давления насыщения нефти газом.

Проанализированы известные результаты экспериментальных исследований влияния упругих колебаний на процессы гравитационной фильтрации в модельных пористых средах и на процесс капиллярного насыщения. Согласно исследованиям Симкина Э.М., Погосяна А.Б., Стремовского Э.В., Шнирельмана А.И. скорость гравитационного разделения нефти и воды в зависимости от ориентации приложенных колебаний может увеличиваться до 500 раз. Отмечено ( Сменковская П.Т.) снижение высоты подъема воды в вертикально установленных капиллярах, совершающих возвратно-поступательное движение. Исследования прямоточной капиллярной пропитки ( Симкин Э.М., Погосян А.Б., Стремовский Э.В., Ступоченко В.Е, Ахапкин М.Ю.) на моделях пористой среды показали кратное увеличение нефтеотдачи при уменьшении времени пропитки в несколько раз в поле упругих колебаний низкой частоты. Эффект более существенней, когда виброускорение соизмеримо с ускорением свободного падения.

К первым результатам, полученным на натурных объектах, следует отнести, по всей видимости, данные изменения режима подземных вод в связи с землетрясениями, при которых наблюдались колебания уровня воды в колодцах, исчезновение и появление минеральных источников. Изучение влияния землетрясений на режим минеральных источников показало, что даже слабые землетрясения вызывают изменения их дебита, температуры и минерального состава. Такие корреляции наблюдаются и для удаленных землетрясений. Отмечается и непосредственное влияние землетрясений на уровень добычи нефти, связь сейсмической активности с химическим составом флюидов, проявлением газохимических аномалий. Анализ эффектов некоторых

землетрясений на интенсивность добычи нефти на Апшеронских месторождениях (по данным института геологии АН Азербайджана) показал, что после одного из землетрясений уровень добычи увеличился на территории, которая охватывает не только эпицентральную зону, но и область на расстояниях 100-250 км от эпицентра. Эффект от землетрясений может проявляться со сдвигом во времени от нескольких десятков часов до нескольких месяцев.

Проанализированы результаты первых опытно-промысловых экспериментов по вибросейсмическому воздействию с использованием наземных источников колебаний геофизического типа. В раде экспериментов ( Аммосов С.М., Барабанов ВЛ., Войтов Г.И. и др. ) было обнаружено влияние упругих колебаний на фильтрацию жидкости. Отмечено, что вибровоэдействие на определенных, частотах приводит к смещению уровня подземных вод. После воздействия формируется остаточная аномалия уровня, сохраняющаяся в течение нескольких суток. Эффект вибрационного сейсмического воздействия во многом аналогичен эффектам удаленных сильных землетрясений. Вибросейсмическое воздействие на орпшо-минеральном слое приводит к газо-химическим реакциям в нем.

Опытно-промысловые исследования вибросейсмического воздействия были начаты в 1986 году на месторождении Абузы ПО "Краснодарнефтегаз". Отмечено, что вибросейсмическое воздействие приводило к дегазации продуктивного пласта и что существенно, происходило определенное снижение обводненности продукции добываемых скважин.

В работах В.Н.Николаевского предложена математическая модель нелинейных трансформаций сейсмических волн. Согласно этой модели распространение волновых полей по нефтяному пласту происходит на доминантных частотах, определяемых структурой горной породы, слагающей

нефтяной пласт. Далее, из-за резонансного вобуждения высокочастотных колебаний (ультразвука) появляется возможность волнового воздействия и на капли остаточной нефти, а, следовательно, и на вид фазовых проницаемостей.

Совокупность проведенных исследований позволила наметить контуры будущей технологии вибровоздействия, основные черты которой - воздействие на пласт на доминантных частотах за счет использования гармонических источников с изменяемой частотой воздействия.

В то же время проведенный анализ литературных данных показывает, что механизм взаимодействия вибрации с фильтрационным потоком в пласте был изучен недостаточно. Не выяснена роль гравитационного фактора, капиллярных сил в восстановлении переноса ганглиев нефти в обводненном пласте, коща насыщенность меньше порога подвижности.

R рячпале 1.2 приведены технологии и технические средства вибровоздействия на призабойные зоны пластов. Отмечено что исследования и опытно-промышленные работы по вибровоздействию ведутся уже около 40 лет. В работах принимали участие многие организации: ВНИИнефть, НПО "Союзнефтеотдача", ВНИИгеоинформсистем, ВНИИвзрывгеофизика, СибНИИНП, ТатНИПИ, БашНИПИ, ГАНГ им.И.М.Губкина, ИФИНГ, УНИ, ИМАШ РАН и другие. В результате акустические методы (частоты выше 1000 Гц) получили широкое распространение как высокоэффективное средство восстановления фильтрацноннных свойств призабойных зон скважин при их освоении.

Вибросейсмические методы воздействия на призабойные зоны пласта (ПЗП) по временной характеристике можно разделить на две группы: импульсные и вибрационные (Пузырев H.H.). Импульсное воздействие на призабойную зону осуществляется пороховыми газами, электрогидравлическими ударами, мгновенными депрессиями.

Во ВНИИвзрывгеофизике предложен и опробован метод обработки призабойной зоны нефтяных и водонагнетательных скважин повторяющимися импульсами давления, реализуемыми генератором импульсов давления (ГИДП).

Гидравлический пульсатор для обработки ПЗП, реализующий низкочастотные высокоамплитудные пульсации расхода, предложен автором (Св-во на ПМ РФ N9470).

В Институте Теоретической и Прикладной Механики СО РАН, а также в ИФЗ РАН предложен скважинный импульсный источник, использующий энергию взрыва гремучего газа (стехиометрической смеси водорода и кислорода), получаемой электролизом воды непосредственно прямо перед детонацией.

В настоящее время к разработке скважинных устройств подключаются конверсионные НИИ. В НИИ "АТОЛЛ" разработали скважинное электровибрационное устройство для воздействия на ПЗП на основе применения электромеханического вибратора, заякоренного в интервале нефтяного пласта и спускаемого на каротажном кабеле.

Метод создания многократных депрессий с использованием струйных аппаратов УОС-1 успешно испытывается с 1982 "года на месторождениях Украины, Западной Сибири и Башкирии. Метод реализуется с помощью установленного на насосно-компрессорных трубах пакера и смонтированного ниже струйного аппарата.

С 1967 года проводятся опытные работы по воздействию на ПЗП низкочастотными упругими колебаниями. В основном используются золотниковые вибраторы типа ГВЗ-108, разработанные в ГАНГ им. И.М.Губкина. Наряду с ними разработаны и прошли промысловые испытания вибраторы КВ-54 конструкции ТатНИПИнефти и ВГ-1 конструкции СевКавНИПИнефти.

Специалистами НПО "Союзнефтесгщача" совместно с МАИ разработан скважинный гидродинамический генератор колебаний расхода жидкости, состоящий из специальной двухкаскадной форсунки и газовой полости, установленной в корпусе. При подаче жидкости на вход генератора происходит ее разделение на два потока. Взаимодействие двух потоков в специально спрофилированной форсунке приводит к возникновению автоколебаний.

Развитием этого класса устройств можно считать гидроакустические генераторы, разрабатываемые в ТатНИПИнефть. Отличительной особенностью этих генераторов является отсутствие движущихся частей, расширенный диапазон излучаемых частот за счет совмещения в одном устройстве двух излучателей: тороидальной и вихревой камер.

Предлагаются различные устройства гидродинамических генераторов, преобразующих энергию потока в различные по частоте виды колебательной энергии.

В Институте Горного Дела им. А.А.Скочинского разработан способ гидроимпульсного воздействия на ПЗП энергией сжатого воздуха высокого давления, истекающего в импульсном режиме из специального устройства -пневматического генератора импульсов, размещенного в скважине в интервале нефтеносного пласта.

В качестве аналогов за рубежом можно привести устройства, использующие энергию сжатого воздуха или жидкости, которая быстро высвобождается открыванием клапана или разрывом диафрагмы (Пат. 5001659, 493970 США, 2235046 Великобритании).

Первые промысловые испытания акустического метода воздействия были начаты в 1975 году. Метод первоначально использовался для борьбы с солеотложениями в насосно-компрессорных трубах. Для этой цели

ВНИИгеосистем совместно с СибНИИНП был разработан трубный гидроакустический излучатель.

В 1977 году ВНИИнефть совместно с ВНИИЯГГом (сейчас ВНИИгеосистем) была разработана и испытана технология акустического воздействия на ПЗП скважин, которая заключалась в том, что в скважине в интервале продуктивного пласта устанавливался акустический излучатель, работающий в диапазоне частот от 3 до 10 кГц с интенсивностью до 1 кВт/м2.

Для акустических обработок призабойных зон в настоящее время созданы скважинные гидроакустические и электроакустические излучатели. Скважинные источники гидроакустического типа (СГГК) разработаны в Институте машиноведения РАН.

Скважинные электроакустические источники различных конструкций разработаны во ВНИИнефть совместно с МПО ЭВИ (термоакустические источники) и во ВНИИгеосистем совместно с Уральским политехническим институтом. Источники работают в диапазоне частот от 3 до 10 кГц, их мощность - от 2 до 15 кВт.

В настоящее время широко применяют акустическое воздействие совместно с другими методами очиски ПЗП.

И рачттрпе приведены технологии и технические средства для площадного вибровоздействия на нефтяные пласты.

Возбуждение нефтяного пласта источниками, генерирующими различного рода колебания, может проводиться как с поверхности , так и при их расположении в скважине. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки.

Использование для обработки нефтяных пластов колебаний, генерируемых источниками, расположенными в скважине, позволяет приблизить генератор к

-I 8

объекту воздействия, уменьшить потери энергии, связанные с затуханием волн при их прохождении от источника до нефтяного пласта.

Разработаны источники газовой детонации скважинного типа, когда воздействие на призабойную зону и пласт осуществляется гидроимпульсами, ударными импульсами.

В ТатНИПИнефть совместно с ВНИИгеосистем разработан мощный скважинный электрогидравлический излучатель, реализующий энергию в электрическом разряде 13 кДж, способный озвучивать пласты на расстоянии до ISO м (сейсмоакустическое воздействие).

Наряду с импульсными скважинными источниками для возбуждения нефтяных пластов могут быть использованы и скважинные вибрационные излучатели. Помещенные в ограниченный объем скважины, они не могут развивать большие толкающие усилия, но неоспоримым преимуществом таких источников является возможность воздействовать непосредственно на пласт, а не через осадочный чехол горных пород.

Существуют различные варианты конструкций скважинного механоакустического преобразователя.

К достоинствам наземного возбуждения упругих колебаний следует отнести возможность получения больших толкающих усилий, лучшие возможности в реализации группирования источников. Приведен анализ сущестствующих моделей мощных вибрационных сейсмоисточников Y-2700 (Falling, США) и СВ-20/60 (НПО"Сейсмотехника", Белоруссия) развивающих усилие на грунт порядка 2.105 Н.

Проанализированы эксперименты с применением аналогичных источников, в которых отрабатывались элементы будущей технологии вибросейсмического воздействия на обводненные нефтяные пласты.

<s

Рассмотрено описание другого класса наземных электромеханических устройств - дебалансных источников, разрабатываемых в СКБ ПГ СО РАН, г. Новосибирск. Проанализированы результаты промыслового использования этих генераторов (Б.Ф.Симонов, C.B.Сердюков, Е.Н.Чередников и др.).

К настоящему времени эти два типа мощных поверхностных виброисточников (злектро гидравлические и центробежные дебалансные) являются наиболее конкурентно способными при использовании их для вибровозиействия на нефтяные залежи. Важным моментом, наряду с реализацией больших толкающих усилий воздействия, является относительно высокий сейсмический к.пл. таких источников.

Приведен анализ использования импульсных наземных источников, созданных для целей рудной сейсморазведки. Показано, что их относительная простота и дешевизна весьма привлекательны для использования при первом этапе промысловых испытаний метода.

Перспективным направлением в создании дешевых источников колебаний следует считать использование в качестве основных узлов таких источников выпускаемое нефте-промысловое оборудование, к примеру,

высокопроизводительные станки-качалки в качестве привода.

Не исчерпали свои возможности импульсные невзрывные газодинамические источники, для совершенствования которых автором предложен ряд технических решений (а. св. СССР NN 1217111, 1267914, 1297610, 1336741, 1341602).

Однако, существенным недостатком наземных источников всех типов 1вляется низкий уровень передачи волновой энергии от наземного источника :обственно в нефтяной пласт.

Анализ существующих принципиальных способов передачи энергии в нефтяной пласт показывает, что необходимо разрабатывать экологически чистые, нетрудоемкие и эффективные способы. Об устойчивом интересе к технологиям площадного воздействия с использованием энергии колебаний можно судить по патентной литературе ( Пат. РФ 2001254, 2039218, 2046936,2047742, 2057906, 2061845, 2063507, 2063508, 2064572, 2064573, 2067154, 2070285, 2075596, 2078913, 2089726, 2095550, 2103486, 2105135, 2105143, 2106471, 2116436 и другие).

Недостатком существующих способов является отсутствие возможности передавать в пласт большую мощность, которую может реализовать наземный источник колебаний, с регулируемой величиной амплитуды толкающего усилия в необходимом для вибросейсмического воздействия диапазоне частот.

Во второй главе работы приведены теоретические основы вибросейсмического метода воздействия на обводненные нефтяные пласты.

р ра;шеле 2.1 изучен механизм напорной и гравитационной фильтрации нефти в обводненном пласте в естественных условиях и в поле упругих колебаний.

В параграфе 2.1.1 приведены результаты теоретических исследований гравитационной фильтрации больших углеводородных капель в цилиндрических смачиваемых водой капиллярах с проницаемыми и перфорированными стенками, которые служили простейшими моделями пористой среды.

Проведенное сравнение с лабораторными экспериментами показало удоволетворительное совпадение результатов, описывающих зависимости установившейся скорости всплытия капли от ее длины в капиллярах разных диаметров. На основе экспериментальных исследований показано, что движение

больших капель по смоченным водой капиллярам соответствует законам движения твердого тела в жидкости.

В параграфе 2.1.2 рассмотрена вероятностная модель гравитационной фильтрации нефти в виде отдельных капель в обводненном пласте в поле упругих колебаний. Наряду с существующим механизмом гравитационного всплытия не взаимодействующих друг с другом отдельных капель возможен механизм их слияния (впрочем, как н дробления), когда капля, имеющая большую длину, а, следовательно, и большую скорость, догоняет каплю с меньшей скоростью и сливается с ней (А.И.Шнирельман).

Процессы слияния и дробления наблюдались на двумерной плоской модели пористой среды и были засняты на кинопленку. Отмечено преобладающее влияние процессов слияния ганглиев при ьх гравитационной фильтрации.

Диссертантом было проведено моделирование процесса на ЭВМ, когда из большого числа капель, имеющих разные, случайным образом выбранные массы и координаты, в нефтяном пласте, образуется связанная фаза (процессы слияния преобладают). Времена образования связанной фазы еще более уменьшаются при учете диффузионного взаимодействия в процессе гравитационной фильтрации. Моделирование процесса на ЭВМ показало, что время образования связанной фазы зависит от первоначального распределения ганглиев остаточной нефти в пласте. Влияние параметров колебаний не установлено. Все сказанное в равной мере можно отнести к процессам образования связанной фазы при напорной фильтрации.

В параграфе 2.1.3 приведены результаты экспериментальных исследований подвижности включений углеводородной жидкости в другом флюиде.

На основе факторов, влияющих на подвижность остаточной нефти в виде отдельных капель не связанных с твердой поверхностью, по классификации,

данной МЛ.Сургучевым, нами была обоснована гипотеза, что мерой подвижности капель в поле упругих колебаний может служить критерий подвижности, имеющий вид:

а/г соэб

П = - < П0 ( 1 )

ДДр&Г|'ла+ААрю2+</РЛ£с) Здесь а - коэффициент межфазного натяжения на границе; 6 - краевой угол смачивания, Ар - разность плотностей жидкостей, / - длина ганглия, г - его радиус, а - угол наклона ганглия к горизонту, $ - ускорение свободного падения, А и (о - амплитуда и частота колебаний, ¿Р/сЬс - градиент давления в вытесняющей фазе. Если <1Р/(1х =0, то из критерия подвижности ( 1 ) следует, что произведение длины ганглия / на сумму действующих гравитационного ускорения и виброускорения в окрестности ганглия, есть величина постоянная (А.И.Шнирельман). Именно эта зависимость была подтверждена диссертантом в экспериментах с ганглиями различных жидкостей на двумерной плоской модели пористой среды. Эксперименты по влиянию вибраций диссертант проводил на двумерной плоской модели, установленной вертикально. Модель устанавливалась на вибростенде, создававшем ускорения, соизмеримые с ускорением свободного падения (виброперемещение равно 0.45 мм). Фиксировалась величина виброускорения, при котором ганглий начинал движение. Данные экспериментов (см. табл.1) подтвердили расчетные зависимости критической длины ганглия от величины виброускорения.

Таблица 1

и Гц 16 18 19 20 22

^кр теор» ММ 1 22.5 20.8 20.0 19.1 17.6

^крмсп» мм • 22 21, 20, 21 18 18 17

В экспериментах по определению величины критерия подвижности диссертант отмечал длину ганглия, начинавшего движение в отсутствие колебаний в зависимости от угла наклона модели к горизонту. Статистическая обработка полученных результатов позволила получить критериальное значение По, которое для всех исследованных пар сред находилась в диапазоне 3.6-4.1. На основе проведенных экспериментов с ганглиями керосина в пористой среде, заполненной водой, установлено, что при частотах порядка 40-50 Гц и ёР/йх =0 критическая длина ганглия углеводородной жидкости, способного к движению в реальной пористой среде (-1 мкм2), равна нескольким метрам. Подчеркнем, что аналогичные результаты были получены А.Л.Казаковым и А.Я.Хавкиным.

Показано, что уменьшить критическую длину ганглия можно, создавая значительные, соизмеримые с ускорением свободного падения, виброускорения в нефтяном пласте.

В параграфе 2.1.4 содержатся результаты экспериментальных исследований механизма гравитационной фильтрации нефти в поле упругих колебаний на трехмерных осесимметричных моделях. Для подтверждения влияния на подвижность ганглиев остаточной нефти виброускорения исследования диссертант совместно с С.С.Воинцевым проводил в частотном диапазоне 1-10 кГц, в моделях были реализованы значения виброускорений от 0.47 до 16 м/с2.

С целью регистрации картины фильтрационного течения в поперечном сечении в модели, в плоскости перпендикулярной его оси, было установлено 15 электродов: на расстоянии 0.5 см от боковой поверхности трубы 7 электродов по окружности, на расстоянии 1 см от боковой поверхности еще 7 электродов по окружности и 1 электрод на оси. В пористой среде поверхность электродов была изолирована за исключением точечных концов.

Точечные электроды устанавливались для того, чтобы в случае реализации струйного механизма гравитационной фильтрации отмечать различные величины электросопротивления на участке между опорным и точечными электродами, который вначале заполнен керосином (водой), а затем замещается водой (керосином).

В результате было установлено, что для одинаковых значений виброускорений при различных частотах колебаний не наблюдается изменений в значениях электросопротивлений между электродами по длине модели. С ростом величины виброускорения, уменьшается длина неподвижного фрагмента керосина, скорость гравитационного разделения в поле акустических колебаний возрастает приблизительно в 10 раз, причем течение восстанавливается в промытых каналах (см. табл. 2).

Таблица 2

Время начала! регистрации 1 струй, мин 11 2 3 4 Уровень сигнала, В 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

28 1 - 1 1 1 0.2 0.5 0.5 0.8 0.8 1 0.5 0.5 0.5

38 1 - - 0.5 0.5 0.5 - 0.8 - - -

Воздействие 1- - 0.4 0.5 0.3 - - 0.3 0.3 0.3 0.3 0.5 0.2 0.3 0.2

55 1- - 0.3 0.4 0.5 - 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.2 0.3 0.3

В параграфе 2.1.5 приведены результаты исследования подвижности целиков остаточной нефти при напорном вытеснении в поле упругих колебаний. Отмечено, что определяющим подвижность фрагмента остаточной нефти при напорной фильтрации также является величина виброускорения в его окрестности.

В этом случае критерий подвижности имеет вид:

ст/г собЭ II =--

/(АДрю'+ЛР/ВД

и для того, чтобы был отмечен эффект от вибровоздействия, величина создаваемого виброускорения должна иметь порядок

а = Др"1 ¿Р/Лх (2) Эксперимент проводился на установке, разработанной в лаборатории поиска микробиологических методов воздействия на пласт ВНИИнефть, предназначенной для визуального изучения микрокинетики процессов фильтрации в пористых средах совместно с В.Б.Губановым, С.С.Воинцевым, А.Д.Ннкищенко. В работе применялась визуальная двумерная модель, представляющая систему капилляров внутри плоской прозрачной пластины, которую разработал А.А.Мац. С одного из торцов к модели жестко крепился генератор колебаний, с другого торца модели был установлен датчик ускорений для регистрации уровня колебаний.

Перед проведением эксперимента по вибровоздействию отвакуумированная модель насыщалась водой и закреплялась в термостате.

Исследования влияния упругих колебаний на * подвижность фрагментов остаточной нефти проводились путем фиксации картины ее распределения в модели на кинопленку и визуально. Режим работы генератора (частоту) задавали таким образом, чтобы амплитуда виброускорения монотонно возрастала. На частоте 8.6 кГц произошло страгнвание фрагментов остаточной нефти и картина насыщенности изменилась (см. рис. 1). Значение виброускорения на момент страгивания составляло 144 м/с2. Величина гидродинамического градиента давления составляла в эксперименте 2.78*104 Н/м3. Тогда величина виброускорения из (2) ( при разности плотностей нефти и воды - 200 кг/м3) будет равна 139 м/с2.

Рис.1 Распределение остаточной нефти в модели пористой среды до (а) и после (б) вибровоздействия Согласующиеся расчетное и экспериментальное значения виброускорения доказывают справедливость оценки величины виброускорения для мобилизации остаточной нефти и в случае напорной фильтрации.

В главе 3 показано, что решение проблемы создания больших виброускорений связана со спецификой волн, распространяющихся в трещиноватом блочном нефтяном массиве.

Вибросейсмическое воздействие на нефтяной пласт - сложный процесс взаимодействия поля упругих колебаний и реальной пористой среды, представленной совокупностью блоков, составляющей иерархически самоподобную структуру.

Такая модель более близка к модели геофизической среды академика М.А.Садовского.

И рачпрле 3.1 представлены результаты экспериментального изучения распределения размеров блоков ("кусковатости") нефтяного коллектора.

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 керноприемника во время бурения с отбором керна. Не производился также обмер кусков, полученных в результате распила. Размер блока брался равным среднегеометрическому из максимального Ьщ,, и минимального размеров блока Ьтп (по М.А.Садовскому). Таким образом были получены распределения размеров кернов в миллиметровом диапазоне.

Обмеру подвергались керны, полученные при бурении скв. 2035 Павловского месторождения НГДУ "Чернушканефть". Было произведено 1086 обмеров(совместно с Э.В.Стремовским). Отношение соседних преимущественных размеров Ь^ и находится в пределах Ь^/Ц =3-3.08 (см. рис.2).

Рис. 2 Распределение размеров твердых отдельноетей горной породы скв. 2035 Павловского месторождения

гг

Для изучения распределения размеров отдельностей в метровом диапазоне диссертантом были использованы данные полученные при сканировании боковых поверхностей необсаженных скважин в ходе их бурения. Были проанализированы фотографии ( Н.И.Жаворонкова) слоев, вскрытые при бурении скв.471 Быркинского и скв. 331 Чернупшнского месторождений. Получено также, что отношение, последовательно, большего слоя к меньшему для каждого из интервалов лежит в диапазоне 2.91-3.43 (см. табл.3).

Таблица 3

Месторожд.: Скв: Интервал: Размер прослоев(см): Масштаб: Отношение прослоев

Быркинское 471 1389-1399 1.2; 4; 13; 29; 102 1:200 3.33; 3.25; 2.23; 3.5

979-997 1.5; 5; 14.2; 48 1:50 3.33; 2.84; 3.38

999-1009 1.5; 4.9; 13.5; 43 1:200 3.3; 2.8; 3.2

1279-1289 1.5; 5; 13; 45 1:200 3.3; 2.6; 3.46

1119-1149 1; 3; 9.5; 29.5 1:200 3; 3.16; 3.1

Чернушинское 331 909-959 2.3; 7; 21; 73; 219 1:200 2.3; 3; 3.48; 3

859-879 1.5; 4.5; 12; 33; 103 1:200 3; 2.7; 2.8; 3.12

909-929 2; 7; 22.5; 82 1:50 3.5; 3.2; 3.6

Таким образом, для породы, слагающей нефтяной коллектор, наблюдается полимодальное распределение размеров слоев, что может обусловить ее резонанс.

и рачпрлк .4.2 диссертантом проведено математическое моделирование процесса распространения сейсмической волны по нефтяному пласту в предположении, что пласт разделен поверхностями ослабления на отдельные, взаимодействующие между собой блоки.

Простейшая модель дискретной среды представляет собой систему вложенных друг в друга блоков (три блока последующего уровня представляют один блок предыдущего). Такое разбиение приблизительно соответствует экспериментально определенному в предыдущем разделе полимодальному разбиению неоднородностей в нефтяном коллекторе. Блоки одного уровня являются абсолютно жесткими и их смещению препятствует вязкое трение и

упругие связи на переменных контактных поверхностях. Отметим, что первые модели такого типа предложил И.А.Гарагаш. Система уравнений, определяющих смещения блоков одного уровня, имеет вид:

Мит=-2(Мр,/2)2/3(сзц/2р),/зи|| - 2С1_1| + С(Г+и2)+ (Мр,я)гл(шц/2р)"2(Г1 +и») Мил—г^р1 ^(»иДр)«^» -2С1Ь + С(и|+из)+(Мр,«)^(0)р/2р)1« (ин+из.) Мизи=-2(Мр,/:)2Л((орУ2р),/2ил - 2Сиз + С(Г+и2)+ (Мр'^юр/гр)"^. +и2.) где М- масса блока, кг;

1^2, 11з - перемещения блоков одного уровня, м; р - плотность породы блоков, кг/м3; со - частота внешнего воздействия, с'1; р-вязкость среды в области между блоками, Па»с; С - жесткость среды между блоками, НУм;

I - амплитуда перемещения, создаваемая источником внешней силы, м. Из решения системы уравнений получено, что блок нулевого уровня совершает высокочастотные колебания с уменьшающейся амплитудой вокруг положения, задаваемого внешней вынуждающей силой, изменяющейся с низкой частотой по гармоническому закону (см. рис.3).

Рис. 3 Амплитуда колебаний блока нулевого уровня При постоянном внешнем воздействии происходит перераспределение энергии колебаний с нулевого на последующие уровни системы. Характерное время вовлечения блока более высокого уровня в колебательное движение равно:

Т. = (ьГ3у)05 /(М/р)ю гае V — кинематическая вязкость среды в области между блоками, а остальные величины были определены выше.

Частота осцилляций блоков одного уровня определяется жесткостью среды в переходной области, затухание - вязкостью. При резонансном возбуждении не наблюдается постепенного затухания колебаний блоков нулевого уровня.

В разделе 33 расссмотрено влияние параметров вибрационного воздействия на вытеснение нефти из естественных образцов кернов.

Лабораторные исследования влияния параметров вибровоздействия на процессы напорного вытеснения водой углеводородных жидкостей проведены на установке, в которой в качестве генератора, задающего частоту колебаний, использовался свип-генератор с линейной разверткой частоты. Экспериментально показано, что коэффициент вытеснения углеводородных жидкостей водой и водными растворами щелочи в поле упругих колебаний с изменяющейся частотой воздейстия больше, чем при вытеснении в поле колебаний с постоянной частотой.

Эксперименты подтверждают результаты параграфов 2.1.3-2.1.5, разделов 3.1-3.2. Колебания с изменяющейся частотой могут приводить к резонансным эффектам в образце, имеющем блочную структуру, и увеличенным значениям амплитуды виброускорения, что позволяет получить значительно больший эффект от вибровоздействия. В промысловых условиях такой результат впервые отмечали А.Г.Асан-Джалалов, A.B.Николаев, В.Н.Николаевский В.В.Кузнецов и другие.

вибросейсмического воздействия. Анализ литературных данных, а также опыт работы диссертанта с различными типами источников колебаний позволил сделать вывод о том, что необходим мощный наземный источник с системой управления без высоких требований к повторяемости формы выходного сигнала.

В рячгтепе 4.1 диссертантом проанализированы принципиальные схемные решения электропщравлическнх и дебалансных источников, преимущества и недостатки вибрационного и импульсного методов и средств их реализующих для целей вибровоздействия на пласт. Показано, что для обеспечения надежности и простоты эксплуатации, на первом этапе проведения опытно-промысловых работ, предпочтение следует отдать импульсным источникам. Проведена запись колебаний горной породы на глубине 300 м, от работающего молота и взрыва

посвящена совершенствованию технических средств

тротиловых шашек разного веса, с целью определения эффективности работы наземного источника. Показано, что энергетический эквивалент одного удара молота равен взрыву тротилового заряда весом 400 г, заглубленного на глубину 0.5 м.

В рячисле 4.2 автором предложены способы повышения эффективности передачи энергии колебаний от импульсных и вибрационных источиков в горную среду.

В параграфе 4.2.1 на примере принципиальной схемы вибрационного источника геофизического типа СВ-10/100, предложенной А.С.Шагиняном, исследованы варианты повышения эффективности таких источников путем дополнительного нагружения инерционной массы с использованием упругих элементов, демпфирующих устройств и устройств, создающх тяговую силу. В качестве наилучшего технического решения расширения частотного диапазона источников автором предложено устройство отбора части веса транспортного средства при помощи упругих элементов (а. св. СССР 1492330) и нагружение излучающй плиты источника дополнительно с помощью устройств, сознающих тяговую силу (а. св. СССР 1081582).

В параграфе 4.2.2 экспериментально показана возможность реализации режима работы наземного источника колебаний, при котором его мощность излучения возрастает. Для этого предлагается использовать промежуточную среду из упругих материалов между излучающей плитой источника колебаний и фунтом. Замеры ускорения реактивной массы и скорости излучающей плиты вибрационного источника СВ-10/100 диссертант проводил с использованием контрольно-измерительной аппаратуры фирмы "Вгие1 & Къег" (Дания). Из анализа полученных экспериментальных результатов следует, что

использование промежуточной среды из резины увеличивает мощность,

уходящую с излучающей плиты в 6-7 раз, при использовании среды из полиуретана - в 4-5 раз в диапазоне частот источника 8-40 Гц при неизменных уровнях возбуждения задающего сигнала. Этот экспериментальный вывод соответствует теории, согласно которой эффект проявляется в большей степени, когда модуль упругости промежуточной среды стремится к нулю (Г.В.Рыков, А.М.Скобеев).

В параграфе 4.2.3 установлено, что повысить долю энергии, идущей на образование объемных сейсмических волн, достигающих нефтяного пласта, можно путем дополнительного статического нагружения фунта в районе работы источника колебаний. При проведении экспериментальных работ на полигоне НПО "Сейсмотехника" диссертантом установлено, что если расстояние между источником колебаний и статическим пригрузом равно целому числу длин поверхностных волн, то происходит увеличение амплитуды объемной волны. В качестве генератора силы, обеспечивающей поджатие грунта, использовался стационарный источник, развивающий усилие 2000 кН. Анализ сигналов проходящей волны от вибрационного источника геофизического типа СВ-10/100, регистрируемых в скважине на глубине 100 м стандартными сейсмоприемниками СЦ-10, свидетельствовал о том, что увеличение амплитуды проходящей волны зависит от частоты излучения и имеет резонансный вид. При излучении колебаний на резонансной частоте, которая в условиях эксперимента равнялась 40 Гц, зарегистрировано двукратное увеличение амплитуды волны. При частоте возбуждения, не равной резонансной, разница амплитуд колебаний регистрируемых при осуществлении статического поджатая и без него, лежит в пределах погрешности эксперимента.

Пятая глава посвящена разработке комплекса технических средств вибросейсмического воздействия с применением волноводных устройств доставки энергии колебаний в пласт.

и рячггрпс 5.1 приведены основы проектирования волноводных устройств для эффективной передачи энергии колебаний от наземного источника в пласт, методика расчета его основных узлов (осциллятора, собственно волновода, переходного устройства и излучателя), основные размеры узлов для размещения в обсадных колоннах 5 и 6 дюймов.

Показано, что по волноводу из 3 дюймовых НКТ можно передать мощность, сравнимую с мощностью известных в сейсморазведке наземных источников в резонансном режиме возбуждения. Рассмотрены требования к переходному устройству при импульсном нагружении осциллятора, условия устойчивости собственно волновода в обсадной колонне в статическом и, что особенно важно, динамическом режимах его нагружения, возможности регулирования продолжительности импульса нагружения. Рассмотрены вопросы соединенния излучателя с горной породой, конструктивные размеры осциллятора и излучателя. Следует отметить, что некоторые вопросы расчета волноводных устройств были вначале рассмотрены А.И.Шнирельманом.

В рязпрле 5.2 автором предложен расчет к.пд. волноводного устройства при условии, когда не удается изолировать водоприток в скважину, в которой монтируется волноводное устройство.

Из решения уравнения движения элемента с1х волновода сечения 5(х), записанного в виде:

Л д <)и 4тБ

Рст Б —- =~ ( ЕБ -— ) +• -----дI2 дх дх I

где рст - плотность материала, из которого изготовлено волноводное устройство; Е -модуль упругости материала волноводного устройства; и - перемещение элемента волноводного устройства при прохождении волны возмущения; / - удвоенна«

толщина стенки волноводного устройства, получено, что амплитуда возмущений, передаваемых по волноводу с расстоянием х затухает как:

и = ио ехр[-(2рС1ус)/Е/2)аз р^рст д:] гае но - амплитуда возмущения на верхнем конце волновода. В таблице 4 приведено изменение амплитуды возмущения по длине волновода для значений модуля упругости Е = 2*10" Н/м2 и плотности материала, из которого изготовлено волноводное устройство, рст = 8*103 кг/м3.

Таблица 4

Расстояние от верха волновода, м 10 100 500 1000 2000

Отношение амплитуд, и/ио 0.994 0.94 0.73 0.53 0.28

Показано, что в этом случае к.пл. устройства резко падает: на глубине 2000 м амплитуда волны составляет всего 28% от амплитуды на устье скважины.

В рячпеле приведены разработанные автором компоновки волноводных устройств, применявшихся при проведении опытно-промысловых работ в ПО "Киргизнефть" и Жирновском НГДУ и сделана сравнительная характеристика их эффективности. Намечены пути по совершенствованию волноводных устройств.

В рачлеле 5.4 приведена разработанная с участием диссертанта методика сборки комплекса технических средств вибросейсмического воздействия с использованием волноводного устройства и импульсного наземного источника колебаний (а. св. СССР 1686879) и разработанная диссертантом методика проверки эффективности работы комплекса. В ходе проверки на месторождении Чангыр-Таш отмечено, что применение волноводных устройств позволяет уменьшить энергию возбуждения в 14 раз. Регистрация сигналов проводилась стандартными сейсмоприемниками с применением сейсмостанции "Прогресс - 2" Кочкор-Атинской геофизической экспедиции. Регистрация сигналов при работе

комплекса на Жирновском месторождении велась с использованием сейсмостанции "Прогресс - 3" сейсмопартии треста "Волгограднефтегеофизика".

Н ря-теле 5-5 предложена диссертантом компоновка комплекса технических средств, отвечающего требованиям к устройствам для проведения вибросейсмического воздействия иа нефтяные пласты. Прототипом генератора колебаний может стать электрогидраялическин вибрационный источник, у которого система управления выполнена без учета требований к высокой степени точности задающего сигнала. Это существенно упростит систему управления и позволит использовать при ее создании отечественные системы и комплектующие. Расчеты по математической модели комплекса показывают, что его характеристика по толкающему усилию имеет расчетные параметры в широком диапазоне частот воздействия (10-500 Гц). Наличие такого частотного диапазона позволит удоволетворить условиям эффективного вибровоздействия для большинства месторождений.

В шестой главе приведены результаты опытно-промысловых работ по вибросейсмическому воздейстию на обводненные нефтяные пласты. Согласно варианта вибровоздействия, разработанного специалистами ИФЗ РАН, рекомендациям академика Э.М.Симкина, приведенными выше результатами теоретических и экспериментальных исследований диссертанта, первоочередной объект для проведения выибросейсмического воздействия должен удоволетворять следующим условиям: находиться на поздней стадии заводнения при высокой остаточной нефтенасыщенности продуктивного пласта; иметь небольшую глубину залегания; быть насыщенным нефтью вязкостью до 50 мПа«с; иметь толщину порядка десятков метров либо заметный угол наклона к горизонту ( для проявления гравитационных эффектов). Последовательность выбора объектов для проведения вибросейсмического воздействия определялась также и тем, что

одновременно проводилась работа по совершенствованию волноводов для доставки энергии колебаний на большие глубины.

Р раур-лд диссертантом проанализировано влияние вибросейсмического воздействия на технологические показатели разработки месторождения Чангыр-Таш ПО "Киргизнефть".

Исходя из условий выбора месторождения, в качестве первоочередного объекта испытаний было предложено Э.М.Симкиным месторождение Чанпыр-Таш ПО "Киргизнефть", которое разрабатывается с 1938 года.

Работы проводились на 2-х опытных участках, в которых принимали участие специалисты ПО"Киргизнефть", Кочкор-Атинской геофизической экспедиции, ВНИИгеосистем, СКБ ПГ СО РАН, ВНИИнефтъ. Диссертант являлся ответственным исполнителем на промысле от ВНИИнефтъ, руководившего работами всех организаций.

Вибросейсмическое воздействие на 1-ом опытном участке осуществлялось двумя источниками импульсного типа конструкции СКБ ПГ СО РАН с поверхности Земли. Источники реализовывали воздействие' с энергией 25 кДж и частотой ударов 1 Гц.

Анализ технологических показателей контролируемых скважин, проведенный диссертантом, показал что в результате вибросейсмического воздействия произошло уменьшение их обводненности в среднем на 13%. Прирост добычи нефти по участку составил 40%. Эффект наблюдался на протяжении 6 месяцев.

Повторное осуществление вибросейсмического воздействия вызвало увеличение дебита в контролируемых скважинах.

В результате вибросейсмического воздействия отмечено уменьшение среднего молекулярного веса углеводородной части сопутствующего газа. В

пробах попутного газа увеличивался процент легких фракций углеводородных газов.

Отмечено расширение фракционного состава добываемой нефти за счет обогащения более легкими и тяжелыми компонентами.

Акустическая шумометрия пластов, проведенная диссертантом совместно с сотрудниками ВНИИгеосистем на 1-ом опытном участке, показала увеличение уровня шума после вибровоздействия в среднем на 17.5% в интервале пласта.

На 2-ом опытном участке были проведены опытно-промысловые испытания разработанных элементов технологии вибросейсмического воздействия с использованием волноводного способа доставки энергии в пласт н волновода предложенного и внедренного диссертантом.

Вибросейсмическая технология была дополнена закачкой 47000 м3 воздуха в скважину, расположенную в нижней подошвенной части пласта. Одновременно средняя часть пласта (200 м выше) подвергалась вибросейсмическому воздействию, а из его сводовой части производился отбор жидкости (а. св. СССР 1584468).

Анализ технологических показателей контролируемых скважин, проведенный диссертантом, показал что в результате проведенных экспериментов произошло снижение обводненности продукции скважин и увеличение дебита нефти добывающих скважин. Наблюдалось запаздывание в снижении обводненности по сравнению с динамикой снижения на 1-ом участке. В среднем по 2-ому опытному участку увеличение дебита нефти составило 53% при снижении обводненности на 11%.

При регистрации колебаний от наземного источника в районе скважины 149, отстоящей от источника колебаний на расстоянии 980 м, был отмечен эффект, связанный с наличием распространяющихся поверхностных волн на

границе раздела слоев. В данном случае с помощью акустического шумомера (разработан во ВНИИгеосистем) диссертантом совместно с сотрудниками ВНИИгеосистем были зарегистрированы волны, распространяющиеся по кровле нефтяного пласта.

Интервал продуктивного пласта составлял 301-325 м, интервал перфорации

302-310 м. Сигнал акустического шумомера, превышающий уровень фона в 12.5 раз, уверенно фиксировался при включении молота в узком интервале глубин

303-305 м. В то же время изменений фона не наблюдалось в других точках по всей длине колонны.

Регистрация сигналов в узком диапазоне глубин говорит о том, что пласт имеет отличные от окружающих пород свойства и достаточно жесткие границы раздела. В таких условиях может быть реализован волноводный режим распространения волн в пласте. Регистрация волн на границе раздела в подошве пласта не осуществлена в связи с тем, что шумомер не проходил ниже отметки 311 м.

В разделе 6.2 рассмотрена краткая геолого-физическая характеристика Жирновского месторождения, методика и результаты проведения опытно-промысловых работ.

Для проведения опытно-промысловых работ с участием диссертанта был выбран участок протяженностью с севера на юг 3.3 км, с запада на восток 2.5 км. Всего на опытном участке находилось 34 добывающие скважины.

Основным объектом разработки является нефтяная залежь пласта Б| тульского горизонта. На этот объект в основном и было направлено воздействие упругими колебаниями. Распространение сейсмических волн от источника колебаний определялось диаграммой направленности, которая была сформирована излучателем, спроектированным диссертантом, так, чтобы охватить

воздействием выше- и ниже- лежащие пласты (пласт Аг тульского горизонта и бобриковский горизонт), залегающие в интервале 955 - 1046 м.

Вибросейсмическое воздействие осуществлялось с 20 октября по 15 декабря 1991 года через волноводное устройство, смонтированное в скважине 157, силами специалистов Жирновского НГДУ, треста "Волгограднефте-геофизика", ВНИИнефть. В качестве наземного источника применяли электромагнитный молот МЭМ-3000, работа на котором осуществлялась специалистами СКВ ПГ СО РАН (г. Новосибирск). Уверенная регистрация проходящей волны на глубине 990 м отмечалась в скв. 186, отстоящей от скв. 157 на расстоянии 850 м.

Анализ технологических показателей контролируемых скважин, проведенный диссертантом, показал, что в целом по опытному участку обводненность продукции добывающих скважин снизилась на 5-7% после вибровоздействия, средний прирост добычи нефти составил 54%.

Среди отреагировавших скважин можно выделить 2 группы. К 1-ой группе относятся 10 скважин, расположенных в непосредственной близости от возбуждающей скважины на расстояниях до 1 км. Ко 2-ой группе отреагировавших на воздействие скважин в количестве 6 единиц относятся скважины, расположенные на расстояниях 1.5-2 км. Следует отметить, что аналогичные случаи отмечались специалистами СКВ ПГ СО РАН при проведении ими опытно-промысловых работ по вибросейсмическому воздействию на других месторождениях в Сибири.

Акустическая шумометрия пластов в скв. 186, проведенная диссертантом совместно со специалистами треста "Волго1раднефтегеофизика" и ВНИИнефть с шумомером, разработанным во ВНИИгеосистем, показала повсеместное увеличение уровня акустического шума после вибровоздействия в интервале проведения замеров 834 - 1020 м. Аналогичные результаты были впоследствии

получены на этой же скважине сотрудниками ВНИИгеосистем (В.В.Стогов и другие) с шумомером более совершенной конструкции.

В рячпрле 63 дана краткая геолого-физическая характеристика Павловского месторождения (НГДУ "Чернушканефть") и проанализированы результаты опытно-промысловых работ по вибросейсмическому возцействню.

В качестве объекта для проведения вибросейсмического воздействия диссертантом был выбран пласт Тлг, яснополянской залежи 3-го блока.

Пласт характеризуется средней глубиной залегания 1415 м, имеет среднюю эффективную толщину 4 м, нефтенасыщенную - 2.4 м. Средняя насыщенность нефтью - 0.88, пористость - 0.22, проницаемость - 0.346 мкм2.

Пилотное вибросейсмическое воздействие осуществлялось с 25 октября по 20 ноября 1995 года сотрудниками ВНИИнефть с использованием в качестве наземного источника колебаний электромагнитного молота МЭМ-3000, ревизию которого перед работой провели специалисты СКВ ПГ СО РАН. Передача энергии на глубину залегания продуктивного горизонта 1399-1417 м осуществлялось через волноводное устройство, спроектированное диссертантом и смонтированное бригадой УПНП и КРС НГДУ в скв.11, заполненной водой.

При подготовке к промысловым испытаниям комплекса вибросейсмического воздействия на опытном участке были проведены работы по акустической шумометрии горной породы с помощью специалистов треста "Пермьнефтегеофизика". Отмечено, что продуктивные горизонты в районе исследования (скв. 1028) имеют практически одинаковый уровень акустического шума, что свидетельствует о равнонапряженном состоянии горных пород. В пределах продуктивных горизонтов уровни шума у подошвы ниже, чем у кровли. Уровень шума резко уменьшается при переходе в более плотные породы.

Анализ работы контрольных скважин и 3-го блока в целом показал, что по добывающим скважинам на участке, оконтуренном нагнетательными скважинами со стабильным гидродинамичнеским режимом, за последующие 3 месяца после воздействия отмечено снижение процента обводненности на 13.9%. К примеру, скважина 145 (обводненность до воздействия - 99.9%, после воздействия - 90.4%) изменила дебит по нефти с 1.4 т/суг до 9.3 т/сут. Скважины со средним уровнем обводненности (например, скважина 1025, имевшая до вибровоздействия обводненность 69%, а после вибровоздействия 53%) увеличила дебит по нефти с 60 т/сут до 65 т/суг. Среднее увеличение дебита нефти по участку составило 17.3%.

Заключение.

Представленные в диссертации результаты являются обобщением теоретически; лабораторных и промысловых исследований механизмов вибросейсмическог воздействия на нефтяные пласты, выполненные диссертантом, на основани которых созданы научно-обоснованные вибросейсмические методы и средства дл их осуществления, что позволило сформировать новый подход к решенн проблемы повышения нефтеотдачи заводненных пластов, имеющей важнс народно-хозяйственное значение.

Основные результаты и вывопы.

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования, раскрыв: ющие механизм вибросейсмического воздействия на капельно-рассеянную нефть: показано, что подвижность капельно-рассеянной нефти может бьн охарактеризована критерием подвижности, в общем случае равным отношени капиллярных сил к силам, направленным на их преодоление. Определяющи параметром в случае действия вибрационных сил является величиг виброускорения в окрестности неподвижной капли;

• экспериментами в частотном диапазоне от десятков герц до десятков килогерц на двумерных и трехмерных моделях установлено, что амплитуда виброускорения должна иметь порядок ускорения свободного падения в процессах мобилизации остаточной капельной нефти при гравитационной фильтрации и градиента давления вытеснения деленного на разность плотностей вытесняющей и вытесняемой фаз при напорной фильтрации;

- показано экспериментально , что в реальной пористой среде такие величины виброускорений реализуются благодаря тому, что горная порода нефтяного пласта представляет блочную структуру. Такое строение обеспечивает трансформацию энергии из области низких частот (десятки герц) в высокочастотную область (десятки килогерц), о чем свидетельствует повышение уровня акустического шума

(

при вибровоздействии, которое впервые было обнаружено на месторождении Чангыр-Таш;

- разработана математическая модель нефтяного пласта, учитывающая впервые установленные факты полимодального распределения размеров твердых отдел ьностей горной породы нефтяного пласта. Расчетами щ модели установлено, что частота колебаний отдельноетей, имеет сложную форму: на фоне их визкочастотных колебаний, соответствующих воздействию внешнего виброисточника, происходит высокочастотная осцилляция. Воздействие на резонансной частоте обеспечивает незатухающие колебания блоков.

2. В результате анализа различных типов источников, практики проведения лштно-промысловых работ, разработанных представлений о механизме шбровоздействия установлены основные требования к комплексу технических -.редств вибросейсмического воздействия. На основании исследований, фоведенных с наземными источниками, определены уровни энергии, необходимые 1ля воздействия на пласт.

3. Предложены и опробованы методы, увеличивающие эффективность наземных источников колебаний с применением промежуточных согласующих сред между излучающим элементом и фунтом; устройств статического нагружения фунта в районе работы источника; специальных устройств нафужения инерционной массы виброисточника весом транспортного средства.

4. Разработаны и опробованы в промысловых условиях волноводные устройства доставки энергии колебаний к нефтяному пласту. Показана высокая их надежность и эффективность. Для таких устройств разработаны методы расчета эффективности волноводных устройств при размещении их в скважине, заполненной водой. Показано резкое снижение амплитуды колебаний, достигающих забоя скважины по волноводу.

5. Предложен комплекс технических средств вибросейсмического воздействия на нефтяные пласты, состоящий из вибрационного наземного источника колебаний, сопряженного с волноводным устройством доставки энергии в пласт, удоволетворяющий основным требованиям к устройствам подобного типа: точная настройка частоты вибраций и регулирование уровня задающего сигнала. Показано наличие стабильной амплитудно-частотной характеристики по толкающему усилию в диапазоне низких и средних частот вибровоздействия,

6. Отмечено при проведении промысловых экспериментов на месторождении Чангыр-Таш наличие интервала пласта, характеризующегося волноводными свойствами. Амплитуда низкочастотной волны на фанице пласт - вмещающая порода была в 12.5 раз больше, чем внутри и вне пласта.

7. Определены режимы вибровоздействия и предложены технические средства, позволившие успешно провести опытно-промысловые работы на месторождениях Чангыр-Таш, Жирновское и Павловское. Показано, что в результате проведения вибросейсмического воздействия на опытных участках всех

месторождений произошло снижение обводненности продукции и увеличение дебита нефти. Дополнительная добыча по опытному участку Жирновского месторождения составила более 50 тыс. тонн нефти за год. В диссертации защищаются следующие основные положения:

1. Разработан механизм вибросейсмического воздействия, основанный на возникновении условий, способных изменить критерий подвижности остаточных форм нефти в виде капель, ганглиев, целиков в гидрофильном пласте, представленным блочной структурой, в результате возникновения виброускорений, соизмеримых с ускорением свободного падения для гравитационной фильтрации или с градиентом давления, деленного на разность плотностей вытесняющей и вытесняемой фаз для напорной фильтрации.

2. Научное обоснование комплекса технических средств вибросейсмического воздействия на нефтяной пласт, включающий наземный источник колебаний вибрациониого типа с системой управления работой по частоте и уровню задающего сигнала, сопряженного с установленным в скважине волноводным устройством доставки энергии колебаний в пласт; методические приемы сборки комплекса и проверки ее качества.

3. Результаты проектирования технических решений повышения эффективности вибросейсмического воздействия с применением наземных источников колебаний и их практического использования.

4. Результаты внедрения разработанных элементов технологии при проведении опытно-промысловых работ по вибросейсмическому воздействию на обводненные нефтяные пласты с получением положительного технологического эффекта на месторожениях Чангыр-Таш, Жирновское и Павловское.

По теме диссертации соискателем опубликовано лично и в соавторстве 42 работы, из них 1 научно-тематический обзор, 11 авторских свидетельств.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гравитационный подъем больших капель в капилляре, заполненном водой//Сб. научн. тр. ВНИИнефть, вып.104, 1988, с.120-126.

2. Некоторые механизмы ускорения гравитационной сегрегации в поле упругих волн// Сб.научн. тр. ВНИИнефть, N104, 1988, с.116-119, (в соавторстве с А.Б. Погосяном, Э.М.Симкиным).

3. Виброволновые и вибросейсмические методы воздействия на нефтяные пласты //М.: ВНИИОЭНГ, Обзорн. инф., Серия "Нефтепромысловое дело", 1989, 32 с, (в соавторстве с Э.М.Симкиным).

4. Формы нахождения остаточной нефти в заводненных пластах и возможность ее мобилизации с помощью вибровоздействия// В кн.Современные методы увеличения нефтеотдачи пластов, Бугульма, 1989, с.25, (в соавторстве с Э.М.Симкиным, А.Б. Погосяном, Э.В.Стремовским).

5. Вероятностная модель разделения фаз в обводненном пласте// Сб. научн. тр. ВНИИнефть, вып.102, 1988, с.36-41, (в соавторстве с А.И.Шнирельманом).

6. Способ разработки обводненной углеводородной залежи// А. с.1584468, ДСП, (в соавторстве с Э.М. Симкиным, МЛ. Сургучевым, А.Б. Погосяном, А.И. Шнирельманом, Э.В. Стремовским).

7. Источник сейсмических колебаний// А. св. 1081582, ДСП, (в соавторстве с А.Г. Асан-Джалаловым, В.М. Переплетчиковым).

8. Устройство подготовки газовой смеси (газодинамический источник сейсмических колебаний)// А. св.1217111, ДСП, (в соавторстве с В.М. Переплетчиковым).

9. Взрывная камера источника сейсмических сигналов// А. св. 1267914, ДСП, (в соавторстве с В.М. Переплетчиковым).

10. Устройство подготовки газовой смеси (газодинамический источник сейсмических колебаний)// А.св. 1297610, ДСП, (в соавторстве с A.A. Саухиным, В.М.Переплетчиковым).

И. Взрывная камера источника сейсмических сигналов//А.св. 1336741, ДСП, (в соавторстве с В.М.Переплетчиковым, Е.А Эпшицким).

12. Способ возбуждения сейсмических колебаний//А. св. 1341602, оп. 30.09.87, бюл. N36, (в соавторстве с В.М.Переплетчиковым).

13. Вибрационный источник сейсмических сигналов//А.св. 1383248, оп. 23.03.88, бюл. N11, (в соавторстве с А.Г. Асан-Джалаловым, А.П. Андросенко, В.И. Родионовым ).

14. Вибрационный источник сейсмических сигналов//А. св. 1492330, оп. 07.07.89, бюл. N25, (в соавторстве с А.Г. Асан-Джалаловым, A.A. Певневым, А.В Суворовым, В.М. Переплетчиковым ).

15. Устройство для ударно-волнового воздействия на нефтяную залежь// А.св. 1686879, ДСП, (в соавторстве с А.Б. Погосяном, Э.М Симкиным, Э.В. Стремовским, Т.Х. Холбаевым, А.И. Шнирельмаиом).

16. Опытно-промысловые испытания вибросейсмического метода на месторождении Чангыр-Таш// Нефтяное хоз-во, М., 1992, N3, с.41-43, (в соавторстве с Э.М Симкиным, Ю.С. Ащепковым, Т.Х. Холбаевым).

17. Вибросейсмический метод воздействия на обводненные и нефтяные пласты. Результаты экспериментальных и промысловых исследований//Сб."Фундамент. и поиск, иссл. механизма вытеснения нефтей различными агентами и создание технологий разраб. трудноизвл. запасов нефти", М., ВНИИОЭНГ, 1992, с.105-112, (в соавторстве с Э.М.Симкиным, А.Б.Погосяном).

18. Экспериментальное исследование вытеснения углеводородных жидкостей из карбонатных естественных коллекторах водными растворами щелочи в поле

упругих колебаний //Тр. межд. конф. "Проблемы компл. освоения трудноизвл. запасов нефти и природн. битумов", Казань, Татарстан, 4-8 октября, 1994, т.6, с.2003-2014, (в соавторстве с А.В. Глазуновой, Э.В. Стремовскнм).

19. Распространение вибраций, возникающих при работе электроцентробежного насоса, по колонне насосно-компрессорных труб // Сб. научн. тр. ВНИИнефгь, вып.118, 1994, с.157-160.

20. The role of acoustic emission at vibroseismic stimulation of water-flooded oil rescrvoirs//Proceediogs the 8-th European IOR Symposium, Vienna, Austria, May, 1517, 1995, v.2, p.414-420, (co-author V.N. Nikolaevsky).

21. Residual oil reservoir recovery with seismic vibrations// SPE Production & Facilities, May 1996, 89-94, (co-authors V.N. Nikolaevsky, Yizhu Liao, M.J. Economides).

22. Vibroseismic stimulation for rehabilitation of highly watered reservoirs// Proceedings the 9-th European IOR Symposium, Haaga, Holland, October, 22-25, 1997, #53.

23. О механизме вибросейсмического воздействия на нефтяной пласт, представленный иерархической блочной средой// Ежегодник ВНИИнефгь, 1996, с.63-90.

24. Перспективы применения вибросейсмического воздействия на горный массив для извлечения метана угольных пластов//Труды научно-теоретической конференции, 7-9 февраля 1997, ИГД, Москва.

25. Перспективы применения площадного вибросейсмического воздействия на месторождениях Татарстана// Труды научно-технической конференции "Приоритетные методы увеличения нефтеотдачи пластов и роль супертехнологий", 25-26 ноября 1997, Бутульма, (совместно с А.Н.Шакировым).