СПОСОБ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАЛЕЖЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF WAVE ACTION ON DEPOSIT, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для волнового воздействия на залежь с целью увеличения притока полезного ископаемого, например нефти к скважине.
Известен способ сейсмической разведки полезных ископаемых по авт. св. СССР №68812, опубл. в БИ №14, 1964 г., включающий создание в скважине импульса упругой волны и последующую регистрацию параметров этой волны на поверхности. Импульс упругой волны в скважине создают путем удара о забой скважины бойком.
В этом способе импульс упругой волны формируют энергией удара, передаваемой породному массиву через сравнительно малую площадь, ограниченную забоем скважины, и в течение короткого времени, отчего в области забоя скважины возникают высокие напряжения, превышение которых приводит к разрушению горной породы, что существенно ограничивает достижимые значения энергии импульсов упругой волны. Поэтому способ обладает относительно низкой эффективностью.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ волнового воздействия на залежь по авт. св. СССР №1710709, кл. Е21В 43/25, опубл. в БИ №5, 1992 г. Он включает нанесение ударов падающим грузом и создание упругих колебаний в нефтенасыщенном пласте в процессе разработки залежи эксплуатационными скважинами. Удары падающим грузом по нефтенасыщенному пласту проводят через забой эксплуатационных скважин.
Удары падающим грузом по пласту через забой скважины создают в нем упругие импульсы с широким спектром частот. Из-за малого времени действия ударной нагрузки большая часть гармоник спектра лежит в области верхних частот, которые затухают непосредственно в месте возникновения и преобразуются в тепловую энергию. Поэтому коэффициент преобразования энергии падающего груза в упругие колебания, способные распространяться в пласте на значительные расстояния, сравнительно низкий. Кроме этого, ударная нагрузка создает высокие напряжения в горной породе, способствующие ее разрушению. Это ограничивает допустимую величину ударной нагрузки, тем более на относительно малую площадь, какой обладает забой скважины. Все это обуславливает низкую эффективность способа.
Известно приспособление по авт. св. СССР №68812, опубл. в БИ №14, 1964 г., состоящее из бойка и бабы. На штангу бабы надеты два контактных кольца, замыкающих электрическую цепь регистрирующего прибора, верхнее из которых закреплено на штанге бабы неподвижно, а нижнее подпружинено и надето на штангу бабы с трением с целью размыкания электрической цепи регистрирующего прибора в момент удара бабы о боек вследствие смещения нижнего кольца по инерции вперед.
В этом приспособлении воздействие на боек осуществляют только в направлении свободного падения бабы, т.е. в направлении забоя скважины. Оно не может быть использовано для воздействия на стенки скважины и поэтому малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для волнового воздействия на залежь по авт. св. СССР №1710709, кл. E21B 43/25, опубл. в БИ №5, 1992 г. Оно включает груз для нанесения ударов, подъемный механизм, связанный с грузом, траверсу с захватными элементами и прерыватель, скрепленный со скважиной. Груз для нанесения ударов выполнен в виде заполненных утяжеленной жидкостью бурильных труб, связанных между собой муфтами с проходными каналами, имеющими в верхней части ловильную головку, а в нижней части - сливной клапан и болванку. Прерыватель выполнен в виде стакана с фиксаторами на внутреннем периметре, установленного на ловильной головке с возможностью взаимодействия при помощи фиксаторов с захватными элементами и скрепленного тросами со скважиной. Захватные элементы выполнены с проточкой под фиксатор и с наклонными рабочими поверхностями для поворота захватных элементов под действием силы тяжести груза.
В момент нанесения ударов детали устройства испытывают большие динамические нагрузки, что снижает их долговечность. Особенно это относится к муфтам, связывающим бурильные трубы, как правило, резьбовыми соединениями. Действующая на породный массив сила существенно ограничена предельным напряжением упругой деформации горных пород, достигающим больших значений из-за сравнительно малой контактной площади груза и взаимодействующего с ним элемента, например наковальни. Устройство не может быть использовано для силового воздействия на стенки скважины, ориентированной преимущественно нормально залежи. Все это обуславливает сравнительно низкую эффективность устройства.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности волнового воздействия на залежь за счет направленного воздействия на нее с большим усилием и меньшей потерей энергии на формирование упругих волн и в повышении эффективности устройства за счет управляемого воздействия на стенки скважины с эффектом гидравлического усиления.
Задача решается тем, что в способе волнового воздействия на залежь, включающем воздействие грузом и создание упругих колебаний в пласте в процессе разработки залежи скважинами, согласно техническому решению воздействие грузом осуществляют на стенки скважины через жидкость, которую подают предварительно в герметизированный участок скважины, при этом упругие колебания создают раскачиванием груза вдоль оси скважины под действием прикладываемого к нему усилия.
При воздействии на стенки скважины грузом через жидкость проявляется эффект гидравлического усиления, за счет которого для создания большого усилия можно использовать груз относительно малого веса. Обусловлено это тем, что усилие, с которым жидкость воздействует на породный массив, определяется как произведение площади ее контакта со стенками скважины на давление. Изменением длины герметизированного участка скважины это усилие можно варьировать в широком диапазоне и доводить до больших значений при сравнительно малом давлении жидкости. Поэтому в отличие от прототипа в предлагаемом способе без превышения предельного напряжения упругой деформации горной породы достигается в десятки раз большее усилие. Стенки скважины находятся под давлением жидкости постоянно. Из-за этого их возможное разрушение, например, обусловленное слабой прочностью горной породы либо высоким горным давлением, не происходит. Упругие колебания создают изменением давления жидкости, деформирующей стенки скважины. Для этого груз раскачивают вдоль оси скважины под действием прикладываемого к нему усилия, выбранного согласно заданным параметрам упругих колебаний. Груз находится в месте герметизированного участка скважины, из-за чего характер прикладываемого к нему усилия определяет параметры создаваемых упругих волн. Предполагается создавать гармонические упругие волны с частотой, близкой к резонансной частоте возбуждающей системы (стенки скважины, жидкость и груз). В этом случае диаграмма направленности упругих волн имеет форму тора, т.е. направлена радиально оси скважины. Причем из-за расположения скважины преимущественно нормально залежи энергия упругих волн оказывается направленной в сторону извлекаемого полезного ископаемого. Отсутствие сильнозатухающих высокочастотных гармоник существенно снижает потери энергии упругих колебаний. В результате без сложных гидравлических установок и систем их управления воздействием на стенки скважины грузом через жидкость, предварительно поданную в герметизированный участок скважины, достигается направленное воздействие на залежь с большим усилием и меньшей потерей энергии на формирование упругих волн, что повышает эффективность способа.
Целесообразно вес груза выбирать таким, чтобы исходное давление жидкости было не меньше естественного горного давления в зоне волнового воздействия на залежь, но не превышало давления разрыва породного массива. Под исходным давлением понимают максимальное давление жидкости, создаваемое грузом без усилия на него. В качестве постоянной составляющей колебаний давления жидкости принимают естественное горное давление в зоне волнового воздействия на залежь. В этом случае источник упругих колебаний, представляющий собой колеблющиеся под действием изменяющегося давления жидкости стенки скважины, оказывается максимально согласованным с породным массивом, т.к. он, являясь составной частью последнего, находится в том же состоянии, что и горная порода в зоне залежи. Стенки скважины раскачивают переменной составляющей давления жидкости воздействием на груз соответствующим усилием. Давление жидкости не поднимают выше давления разрыва породного массива во избежание разрыва стенок скважины. В результате обеспечивается максимальное согласование источника упругих колебаний и породного массива, а также исключается повреждение стенок скважины, отчего повышается эффективность способа.
Целесообразно воздействие грузом на стенки скважины осуществлять в диапазоне линейной упругой деформации горной породы в массиве. В этом случае упругие колебания в горной породе по форме совпадают с прикладываемым к грузу усилием, что облегчает управление процессом волнового воздействия на залежь. Это повышает эффективность способа.
Целесообразно усилие к грузу прикладывать в направлении, противоположном его весу. Это снижает величину холостого хода элементов системы для реализации способа и, следовательно, их влияние на форму упругих колебаний. В этом случае все элементы системы, расположенные выше груза, находятся на одной линии под действием растягивающего усилия, обусловленного весом груза. Поэтому их взаимное смещение оказывается минимальным. Наибольший эффект от такого технического решения проявляется при возбуждении упругих колебаний на больших глубинах, исчисляемых сотнями метров. В результате повышается эффективность способа за счет придания упругим колебаниям требуемой формы, например синусоидальной.
Целесообразно усилие к грузу прикладывать через упругий элемент, например пружину или резину. Это позволяет подбором параметров упругого элемента использовать многие существующие механизмы возвратно-поступательного действия для создания требуемого усилия на груз, что также повышает эффективность способа.
Задача также решается тем, что устройство для волнового воздействия на залежь, включающее груз и подъемный механизм, связанный с грузом, согласно техническому решению снабжено гидроцилиндром, способным изменять свой диаметр, при этом груз скреплен с плунжером гидроцилиндра, а подъемный механизм снабжен приспособлением для раскачивания груза вдоль оси гидроцилиндра.
Такое техническое решение позволяет, используя груз со сравнительно малым весом, воздействовать на породный массив с усилием, многократно превышающим усилие, достигаемое в прототипе, и при этом создавать на стенках скважины управляемое давление, включающее постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая достигается весом груза и обеспечивает максимальное согласование устройства и породного массива, а переменная составляющая создается приспособлением для раскачивания груза вдоль оси гидроцилиндра. Упругие колебания направлены в сторону расположения залежи. В результате обеспечивается управляемое воздействие на стенки скважины и благодаря гидроцилиндру с эффектом гидравлического усиления, что повышает эффективность устройства.
Целесообразно указанный гидроцилиндр выполнить в виде втулки, в которую вставлен плунжер с поршнем, скрепленной с трубой с продольными прорезями и заглушкой на конце, в трубу вставлена трубка с продольными прорезями, а в трубку вставлен рукав из эластичного материала, при этом продольные прорези трубы и трубки выполнить не совпадающими.
Такое техническое решение позволяет преобразовывать вес груза в многократно возрастающее усилие на стенки скважины, которое не зависит и, следовательно, не меняется от деформации горной породы. Это объясняется тем, что при изменении диаметра гидроцилиндра, обусловленном деформацией стенок скважины, размеры втулки и вставленного в нее поршня, скрепленного с грузом через плунжер, остаются неизменными. Труба с продольными прорезями и заглушкой на конце надежно противостоит нагрузке со стороны груза и легко изменяет поперечное сечение без существенной деформации материала, из которого она выполнена. Вставленная в трубу трубка с продольными прорезями и эластичный рукав, вставленный в трубку, исключают утечку жидкости из трубы через ее продольные прорези. Несовпадение продольных прорезей трубы и трубки исключает выдавливание эластичного рукава из гидроцилиндра давлением жидкости. В результате гидроцилиндр плотно прилегает к стенкам скважины, проявляет эффект гидравлического усиления, противостоит нагрузке со стороны груза и передает породному массиву практически без искажения постоянную и переменную составляющие колебаний давления жидкости, возбуждаемых грузом. Это также повышает эффективность устройства.
Целесообразно приспособление для раскачивания груза вдоль оси гидроцилиндра представить как механизм возвратно-поступательного перемещения, скрепленный с упругим элементом, например пружиной или резиной. Такое техническое решение обеспечивает выполнение указанного приспособления из существующих механизмов возвратно-поступательного перемещения и упругих элементов, что упрощает и снижает стоимость устройства.
Сущность технического решения поясняется примером реализации способа, конкретным исполнением устройства и чертежами фиг.1, 2.
На фиг.1 показана схема волнового воздействия на залежь и устройства для его осуществления, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Способ волнового воздействия на залежь реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
В скважину 1 до упора в ее забой (фиг.1) опускают устройство для волнового воздействия на залежь (далее - устройство). Устройство включает груз 2 и подъемный механизм (на фиг.1 не показан), связанный с грузом 2 тросом 3 через упругий элемент, например пружину 4. Груз 2 скреплен резьбовым соединением 5 с плунжером 6 гидроцилиндра, способного изменять свой диаметр (далее - гидроцилиндр). Подъемный механизм снабжен приспособлением (на фиг.1 не показано) для раскачивания груза 2 вдоль оси гидроцилиндра (вдоль оси скважины). Приспособление представляет собой механизм возвратно-поступательного перемещения, скрепленный с упругим элементом, например со свободным от груза 2 концом пружины 4, через трос 3. Гидроцилиндр выполнен в виде втулки 7, в которую вставлен плунжер 6 с поршнем 8, скрепленной резьбовым соединением 9 с трубой 10 с продольными прорезями 11 (далее - прорези 11) и заглушкой 12 на конце. Плунжер 6 связан с поршнем 8 резьбовым соединением 13. Заглушка 12 соединена с трубой 10 через резьбовое соединение 14 и вкручена в нее с помощью гнезда 15 для ключа. В трубу 10 вставлена трубка 16 с продольными прорезями 17 (далее - прорези 17). В трубку 16 вставлен рукав 18 из эластичного материала (далее - рукав 18). Прорези 11 трубы 10 не совпадают с прорезями 17 трубки 16 (фиг.2). Во втулку 7 со стороны, противоположной трубе 10, вкручен болт 19 с центральным отверстием 20, через которое пропущен плунжер 6. На поршне 8 установлены уплотнительные кольца 21. Нижний конец пружины 4 связан с рымом 22, скрепленным с грузом 2 резьбовым соединением 23. На концах втулки 7 и заглушки 12 выполнены соответственно ступенчатые утончения 24 и 25, к которым придавлены концы трубы 10, трубки 16 и рукава 18 (с применением операции обжатия). Гидроцилиндр заполнен жидкостью 26. Груз 2 через плунжер 6 с поршнем 8 воздействует на жидкость 26 и создает в ней давление, которое через рукав 18 и трубку 16 придавливает к стенкам скважины 1 внешние боковые поверхности трубы 10, и таким образом взаимодействует с породным массивом. При этом зону контакта гидроцилиндра с горной породой можно рассматривать как герметизированный участок скважины 1, в который предварительно подана жидкость 26, контактирующая со стенками скважины 1 через боковые поверхности гидроцилиндра, устраняющие фильтрацию жидкости 26 в породный массив.
Груз 2 раскачивают вдоль оси скважины 1 под действием прикладываемого к нему усилия, выбранного согласно заданным параметрам упругих колебаний, в направлении, например, противоположном его весу. В результате в прилегающем к стенкам скважины 1 породном массиве возникают упругие колебания, включающие постоянную, обусловленную весом груза, и переменную, обусловленную указанным усилием, составляющие. Вес груза 2 выбирают таким, чтобы исходное давление жидкости 26 было не меньше естественного горного давления в зоне волнового воздействия на залежь, но не превышало давление разрыва породного массива. Воздействие на стенки скважины 1 осуществляют в диапазоне линейной упругой деформации горной породы в массиве. Усилие к грузу 2 можно прикладывать через пружину 4 или резину (на фиг.1 не показана). Создание упругих колебаний в пласте осуществляют в процессе разработки залежи скважинами.
0
Внутри породного массива действует горное давление Р, определяемое по известной формуле
гр
где γ - удельный вес горной породы, усредненный по глубине Н ее залегания. Из-за этого в прилегающей к скважине 1 области породного массива возникает градиент давления или нормальные к стенкам скважины 1 напряжения, отжимающие в свободное пространство горную породу. В результате вокруг скважины 1 происходит дезинтеграция горных пород с образованием расслоений и раскрытых трещин, существенно осложняющих образование упругих волн, способных распространяться в породном массиве на значительное расстояние. Для больших глубин во избежание нарушения устойчивости стенок скважины 1, обусловленного большим горным давлением, принимают меры, которые направлены на сохранение скважины 1, а не на восстановления исходного состояния породного массива. В предлагаемом способе влияние скважины 1 на процесс формирования упругой волны минимизируют воздействием на ее стенки статическим давлением (постоянной составляющей), соизмеримым с горным давлением. Осуществляют это весом Р груза 2, автоматически поддерживающего постоянное давление Р жидкости 26, определяемое как
гр
где Р - вес груза 2;
п
r - радиус поршня 8.
0
Согласно способу Р≥P=γН, откуда, учитывая (2), следует, что
Известно, что в случае равномерно компонентного состояния породного массива его разрыв наступает при условии
р
где σ - прочность горной породы на растяжение.
гр
Откуда согласно способу, учитывая (3), вес Р груза 2 выбирают из выражения
Отметим, что в большинстве случаев (для малой по сравнению с горным давлением амплитудой упругих колебаний) вес груза 2 предполагают выбирать из выражения
Силу F, действующую на стенки скважины 1, можно оценить как
ц
где r - внутренний радиус гидроцилиндра на участке скважины 1 длиною l, на котором она контактирует с гидроцилиндром.
Подставляя (2) в (7), имеем
гр
где  - коэффициент гидравлического усиления, показывающий, во сколько раз F превышает вес Р груза 2. Отметим, что для реальных условий К может достигать нескольких сотен.
При расширении гидроцилиндра в области прорезей 11 трубы 10 часть жидкости 26 из втулки 7 перетекает в рукав 18. При этом поршень 8 перемещается по втулке 7 в сторону трубы 10 на величину Δh, определяемую как
ц
ц
max
ц max
ц
ц min
где Δr - приращение радиуса r, обусловленное расширением гидроцилиндра. Очевидно, что длину втулки 7 следует выбирать с учетом Δh, которая соответствует Δr относительно минимального значения r=r и определяется как
max
Воздействие на стенки скважины в диапазоне линейной упругой деформации горной породы в массиве означает, что упругие колебания частиц горной породы вблизи скважины 1 совпадают по форме с колебаниями груза 2. Поэтому по характеру колебаний груза 2 можно контролировать упругие колебания в горной породе, что существенно облегчает управление процессом излучения упругих волн. Например, вхождение системы устройство - породный массив в резонанс (изменением частоты вынужденных колебаний и при прочих равных условиях) определяют по максимальному возвратно-поступательному перемещению Δh груза 2 вдоль скважины 1.