СПОСОБ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАЛЕЖЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR WAVE ACTION ON DEPOSIT AND DEVICE THEREFOR

Технические решения относятся к горному делу и могут быть использованы для волнового воздействия на залежь с целью увеличения притока полезного ископаемого, например нефти, к скважине.
Известен способ волнового воздействия на залежь по авт. св. СССР №1710709, кл. E21B 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.
Такие удары создают в нефтенасыщенном пласте 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 нефтенасыщенном 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.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ волнового воздействия на залежь по патенту РФ №2452853, кл. Е21В 43/25, Е21В 28/00, опубл. 10.06.2012 г. в БИ №16, включающий воздействие грузом и создание упругих колебаний в пласте в процессе разработки залежи скважинами. Воздействие грузом осуществляют на стенки скважины через жидкость, которую подают предварительно в герметизированный участок скважины. Упругие колебания создают раскачиванием груза вдоль оси скважины под действием прикладываемого к нему усилия.
Амплитуда упругих колебаний в этом способе ограничивается предельными упруго-деформационными характеристиками горных пород, к которым прикладывают усилия грузом через жидкость. При превышении давлением жидкости в герметизированном участке скважины предела прочности горной породы на растяжение происходит разрушение стенок скважины с изменением параметров массива, что существенно затрудняет управление процессом излучения и распространения в залежи упругих волн. Этот способ позволяет излучать упругие волны, распространяющиеся только в радиальном относительно скважины направлении. Все это обуславливает его относительно низкую эффективность.
Известно устройство для волнового воздействия на залежь по авт. св. СССР №1710709, кл. Е21В 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. Поэтому оно имеет сравнительно низкую эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для волнового воздействия на залежь по патенту РФ №2452853, кл. Е21В 43/25, Е21В 28/00, опубл. 10.06.2012 г. в БИ №16, включающее груз и подъемный механизм, связанный с грузом. Оно снабжено гидроцилиндром, способным изменять свой диаметр. Груз скреплен с плунжером гидроцилиндра, а подъемный механизм снабжен приспособлением для раскачивания груза вдоль оси гидроцилиндра.
В этом устройстве раскачивание груза не синхронизировано с реакцией породного массива на силовое воздействие на него от гидроцилиндра, из-за чего не обеспечивается резонансный режим колебания стенок скважины, что обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности волнового воздействия на залежь за счет изменения ее механических свойств в месте возбуждения упругих колебаний, а также в повышении эффективности работы устройства за счет синхронизации раскачивания груза с реакцией породного массива на силовое воздействие на него.
Задача решается тем, что в способе волнового воздействия на залежь, включающем воздействие грузом на стенки скважины через жидкость, которую подают предварительно в герметизированный участок скважины, и создание упругих колебаний раскачиванием груза вдоль оси скважины под действием прикладываемого к нему усилия, согласно техническому решению до герметизации участка скважины изменяют механические свойства залежи в месте приложения к ней нагрузок, для чего в стенках скважины формируют сплошные трещины в плоскостях, проходящих через ось скважины, и используют их для увеличения амплитуды создаваемых упругих колебаний, при этом сплошные трещины формируют с возможностью гармонических колебаний их поверхностей.
Формирование в стенках скважины сплошных трещин с возможностью гармонических колебаний их поверхностей в плоскостях, проходящих через ось скважины, обуславливает изменение механических свойств залежи в месте приложения к ней нагрузок, заключающееся в формировании трещинами конструктивных элементов, образующих упругую систему, колеблющуюся под воздействием меняющегося давления в герметизированном участке скважины. Такая система максимально согласована с залежью для передачи ей энергии упругих колебаний, так как является ее составной частью. Благодаря указанным трещинам, удлинение периметра поперечного сечения скважины при воздействии на ее стенки распирающим усилием жидкости происходит в основном за счет раскрытия созданных трещин при несущественной деформации расположенной между трещинами горной породы. Поэтому амплитуду колебаний стенок скважины в предлагаемом техническом решении в сравнении с прототипом можно многократно увеличивать без опасения образования дополнительных разрывов горной породы в произвольных плоскостях, осложняющих управление процессом волнового воздействия на залежь. В результате повышается эффективность волнового воздействия на залежь за счет изменения ее механических свойств в месте возбуждения упругих колебаний.
Целесообразно формировать две сплошные трещины в одной плоскости. Это обеспечивает направленное воздействие на конкретные секторы залежи, что в случае неравномерного распределения полезного ископаемого по различным направлениям повышает эффективность способа за счет избирательного воздействия на участки, содержащие различное процентное содержание добываемого сырья в общей массе горной породы.
Целесообразно формировать три сплошные трещины в плоскостях, ориентированных под углом 120° друг относительно друга. Это позволяет воздействовать на залежь по всем направлениям в равной степени, что при равномерном распределении полезного ископаемого повышает эффективность способа за счет исключения необрабатываемых участков в выбранной области.
Целесообразно в сплошные трещины ввести упругие частицы. Благодаря упругим частицам поверхности трещины приобретают возможность не ограничивающего друг друга взаимным контактом сближения и удаления, необходимого при совершении колебаний, например, по синусоидальному закону. При этом совокупность упругих частиц и поверхностей указанных трещин способна выполнять функцию упругих элементов, излучающих при их возбуждении упругие волны. Это позволяет создавать систему излучения упругих волн с заданными параметрами непосредственно в залежи, что повышает эффективность волнового на нее воздействия.
Целесообразно в качестве упругих частиц использовать замкнутые металлические оболочки. Это позволяет изменением толщины стенок таких оболочек придавать упругодеформационные свойства упругим частицам в больших пределах, обеспечивающих практически все возможные для реальных залежей требования, что также повышает эффективность способа.
Целесообразно в сплошные трещины ввести смесь упругих частиц и пластичного вещества. Это дает возможность внутри указанных трещин равномерно распределять упругие частицы и исключает их перемещение во время излучения упругих волн. В результате повышается качество излучающей системы, параметры которой остаются практически неизменными во время ее колебания, что повышает эффективность способа за счет облегчения управления волновым воздействием на залежь.
Целесообразно сплошные трещины формировать разрывом горной породы смесью упругих частиц и пластичного вещества, вытесняемой из скважины в режиме ударных нагрузок. Это позволяет без создания высоконапорных нагнетательных установок, способных прокачивать пластичные вещества через длинные трубопроводы, совмещать операции формирования трещин и выполнения в породном массиве указанной колебательной системы, что повышает эффективность способа за счет снижения трудоемкости его реализации.
Задача также решается тем, что в устройстве для волнового воздействия на залежь, включающем гидроцилиндр, выполненный с возможностью изменения своего диаметра, груз, скрепленный с плунжером гидроцилиндра, согласно техническому решению выполнен в виде штанги с возможностью ее раскачивания с частотой собственных колебаний участка залежи, контактирующего с боковой поверхностью гидроцилиндра, для чего устройство снабжено соленоидом, который выполнен с возможностью взаимодействия со штангой и оснащен системой его управления.
Такое техническое решение позволяет управлять движением штанги путем слежения за ее движением и воздействия на нее магнитным полем подачей на соленоид напряжения. При отсутствии магнитного поля, создаваемого соленоидом, характер движения штанги определяется ее взаимодействием с гидроцилиндром, жестко связанным с колебательной системой, представляющей собой скважину с радиально расходящимися от нее трещинами, сформированными непосредственно в породном массиве. Таким образом, движение штанги оказывается синхронизированным с собственными колебаниями прилегающего к скважине участка породного массива. Следовательно, отслеживая движение штанги и воздействуя на нее магнитным полем в направлении ее движения, можно раскачивать прилегающий к скважине участок породного массива синхронно его собственным колебаниям, т.е. в режиме резонанса, что обуславливает повышение эффективности работы устройства.
Целесообразно конец штанги со стороны соленоида намагнитить, например, установкой магнита. Это позволяет по возникающему на катушке соленоида напряжению от изменяющегося в ней магнитного поля фиксировать начало подъема штанги после ее взаимодействия с гидроцилиндром без использования отдельных датчиков контроля перемещения штанги, от чего упрощается конструкция устройства, повышая тем самым его эффективность за счет повышения надежности работы.
Сущность технических решений поясняется примером реализации способа волнового воздействия на залежь, конкретным исполнением устройства для его осуществления 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; на фиг. 3 - реализация способа с тремя сплошными трещинами, сформированными в плоскостях, ориентированных под углом 120° друг относительно друга.
Способ волнового воздействия на залежь реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
До герметизации участка скважины 1 изменяют механические свойства залежи в месте приложения к ней нагрузок, для чего в стенках скважины 1 формируют сплошные трещины 2 (далее - трещины 2) в плоскостях, проходящих через ось скважины 1, и используют их для увеличения амплитуды создаваемых упругих колебаний. При этом трещины 2 формируют с возможностью гармонических колебаний их поверхностей. Для воздействия на залежь в одном направлении формируют две трещины 2 в одной плоскости (фиг. 2). Для воздействия на залежь во всех направлениях формируют три трещины 2 в плоскостях, ориентированных под углом 120° друг относительно друга (фиг. 3). В трещины 2 в процессе их формирования или после него можно вводить упругие частицы 3 (далее - частицы 3). В трещины 2 целесообразно вводить смесь частиц 3 и пластичного вещества 4 (далее - вещество 4) для равномерного распределения частиц 3 в трещине 2. В качестве частиц 3 можно использовать замкнутые металлические оболочки. Трещины 2 можно формировать разрывом горной породы смесью частиц 3 и пластичного вещества 4, вытесняемой из скважины 1 в режиме ударных нагрузок. Затем в скважину 1 до упора в ее забой (фиг. 1) опускают устройство для волнового воздействия на залежь (далее - устройство). Устройство включает гидроцилиндр, выполненный с возможностью изменения своего диаметра, груз в виде штанги 5, скрепленной с плунжером 6 гидроцилиндра, например, резьбовым соединением 7. Штанга 5 выполнена с возможностью ее раскачивания с частотой собственных колебаний участка залежи, контактирующего с боковой поверхностью гидроцилиндра, для чего устройство снабжено соленоидом 8, который выполнен с возможностью взаимодействия со штангой 5 и оснащен системой его управления 9 (далее - система 9). Система 9 подсоединена к соленоиду 8 через кабель 10. Гидроцилиндр выполнен в виде втулки 11, в которую вставлен плунжер 6 с поршнем 12, скрепленной резьбовым соединением 13 с трубой 14 с продольными прорезями 15 (далее - прорези 15) и заглушкой 16 на конце. Плунжер 6 связан с поршнем 12 резьбовым соединением 17. Заглушка 16 соединена с трубой 14 через резьбовое соединение 18 и вкручена в нее с помощью гнезда 19 для ключа. В трубу 14 вставлена трубка 20 с продольными прорезями 21 (далее - прорези 21). В трубку 20 вставлен рукав 22 из эластичного материала (далее - рукав 22). Прорези 15 трубы 14 не совпадают с прорезями 21 трубки 20 (фиг. 2). Во втулку 11 со стороны, противоположной трубе 14, вкручен болт 23 с центральным отверстием 24, через которое пропущен плунжер 6. На поршне 12 установлены уплотнительные кольца 25. На концах втулки 11 и заглушки 16 выполнены соответственно ступенчатые утончения 26 и 27, к которым придавлены концы рукава 22, трубки 20 и трубы 14 (с применением операции обжатия). На конце штанги 5 со стороны соленоида 8 может быть установлен магнит 28. Гидроцилиндр предварительно заполняют жидкостью 29, которую в составе устройства подают в скважину 1. При этом зону контакта гидроцилиндра с горной породой можно рассматривать как герметизированный участок скважины 1, в который предварительно подают жидкость 29, контактирующую со стенками скважины 1 через боковые поверхности гидроцилиндра, устраняющие фильтрацию жидкости 29 в породный массив. Штанга 5 через плунжер 6 с поршнем 12 воздействует на жидкость 29 и создает в ней давление, которое через рукав 22 и трубку 20 придавливает к стенкам скважины 1 внешние боковые поверхности трубы 14, и таким образом она взаимодействует с породным массивом. Штангу 5 раскачивают вдоль оси скважины 1 периодическим прикладыванием к ней усилия вверх магнитным полем от соленоида 8, создавая тем самым упругие колебания. В исходном состоянии за счет веса штанги 5 под поршнем 12 в жидкости 29 создается давление, которое через гидроцилиндр передается стенкам скважины 1 и раздвигает их на величину, обусловленную существенной упругой податливостью породного массива из-за сформированных в нем трещин 2, используемых для увеличения амплитуды колебаний стенок скважины 1. При исходном состоянии на соленоид 8 от системы 9 подают импульс тока, от чего в него втягивается штанга 5, совершая подъем. По окончании импульса тока система 9 устанавливается в ждущий режим, а штанга 5 под действием силы гравитации опускается вниз с ускорением и по инерции проходит уровень исходного положения, воздействуя на породный массив с усилием, превышающим ее вес. Далее породный массив, проявляя свойство упругого элемента, согласно третьему закону Ньютона через жидкость 29, поршень 12 и плунжер 6 выдавливает штангу 5 из гидроцилиндра, заставляя ее двигаться вверх. При движении вверх намагниченный конец штанги 5 взаимодействует с соленоидом 8, выполняющим при ждущем режиме системы 9 роль датчика, фиксирующего начало подъема штанги 5, от чего на концах соленоида 8 возникает напряжение, которое поступает в систему 9. От этого система 9 выходит из ждущего режима и подает на соленоид 8 импульс тока заданной длительности и амплитуды, образуя магнитное поле, воздействующее на штангу 5 направленным вверх усилием. Затем указанные циклы опускания и подъема штанги 5 повторяются в автоматическом режиме. При этом, из-за того что длительности этих циклов формируются также свойствами породного массива как упругого элемента, происходит синхронизация движения штанги 5 с реакцией породного массива на силовое воздействие на него. Прекращение волнового воздействия на залежь осуществляют отключением соленоида 8 от системы 9. Отметим, что прорези 15 и 21 позволяют гидроцилиндру раздвигать боковые поверхности в направлении увеличения своего диаметра. Формирование трещин 2 целесообразно осуществлять с образованием вдоль их границ свободного от смеси частиц 3 и вещества 4 пространства 30.
Предлагаемый способ основан на достигнутых в настоящее время возможностях разрыва породного массива с образованием в нем протяженных трещин 2. Согласно проведенным исследованиям с выполнением многочисленных экспериментов максимально возможное количество одновременно создаваемых в стенках скважины 1 трещин 2 равно трем. Это обусловлено сильным взаимным влиянием трещин 2, существенно осложняющим управление процессом их создания. Вместе с этим использование трещин 2, формирование которых обеспечивается существующими технологиями разрыва породного массива неньютоновскими жидкостями, позволяет значительно повышать эффективность волнового воздействия на залежь. Две трещины 2 в одной плоскости обеспечивают направленное излучение плоской упругой волны. Три трещины 2 в плоскостях, ориентированных под углом 120° друг относительно друга, предполагается использовать при необходимости всенаправленного в горизонтальной плоскости (при условии вертикальной скважины 2) излучения. Количество используемых в предлагаемом способе трещин 2 и их ориентация определяются условиями и требованиями волнового воздействия на залежь. Отметим, что предлагаемый принцип формирования упругих волн в породном массиве может быть использован и для других целей, например в сейсморазведке.
Формирование трещин 2 предполагается осуществлять разрывом породного массива смесью частиц 3 и вещества 4 путем ее вытеснения из скважины 1 в режиме ударных нагрузок по известным технологиям. Проникающая в трещины 2 смесь частиц 3 и вещества 4 проявляет эффект клина, раздвигающего поверхности формируемых трещин 2, которые в начальный момент после подачи в них указанной смеси оказываются максимально раскрытыми. При этом вдоль границ трещин 2 образуется свободное от указанной смеси пространство 30. Затем под действием горного давления частицы 3 зажимаются поверхностями трещин 2, а вещество 4 выдавливается в пространство 30. Выдавливание вещества 4 в пространство 30 происходит и в начальный период раскачивания стенок скважины 1, когда поверхности трещин 2 стремятся к максимальному сближению. В результате спустя некоторое время, определяемое параметрами сформированной колебательной системы, после начала волнового воздействия на залежь практически вся нагрузка на удержание поверхностей трещин 2 от смыкания приходится на частицы 3, от чего становится возможным осуществление гармонических колебаний, например синусоидальных. Отметим, что в отличие от возбуждения породного массива ударной нагрузкой с широким спектром гармоник, возникающая при реализации предлагаемого способа волна, частотный спектр которой состоит практически из одной гармоники, распространяется в породном массиве (залежи) с наименьшей потерей энергии.
Требование к жесткости частиц 3 обуславливается их удельным распределением в трещинах 2 и горным давлением в залежи, т.е. глубиной, на которой нужно раскачивать породный массив. Горное давление на заданной глубине определяют по известным методикам. Удельное распределение частиц 3 в трещинах 2 оценивают по соотношению объемов, занимаемых частицами 3 и веществом 4 в используемой для разрыва стенок скважины 1 смеси. Для реализации способа на малых глубинах, исчисляемых десятками и даже несколькими сотнями метров, можно использовать частицы 3 из сравнительно дешевых упругих материалов, например полиуретана. Для реализации способа на больших глубинах (более километра) требуются частицы 3, обладающие большой жесткостью, такой как, например, у упругих элементов из металла. Поэтому предлагаемый способ предусматривает и использование частиц 3 из металла. Наилучший результат можно получить выполнением частиц 3 в виде замкнутых металлических оболочек с требуемой толщиной стенок. Технологии изготовления таких оболочек известны. Вместе с этим для удешевления реализации предлагаемого способа на больших глубинах можно использовать и не замкнутые металлические упругие элементы, например тарельчатые пружины, втулки и т.д.