CC BY
58
-------------------------------------- © С.В. Сластунов, А. А. Шилов,
Н.И. Грибанов, 2005
УДК 622.817.47:622.324
С.В. Сластунов, А.А. Шилов, Н.И. Грибанов
МНОГОТРЕЩЕННЫЙ РАЗРЫВ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ НОСИТЕЛЯМИ
~ШУ мире добыча многих видов мине-
-Я-М рального сырья осуществляется через скважины, пробуренные с поверхности. Для повышения производительности скважин и увеличения отдачи пластов применяется несколько сотен различных способов воздействия на пласт. Среди них выделяется многочисленная группа способов, обладающих относительно небольшим радиусом воздействия и нацеленных на обработку призабойной зоны пласта (ПЗП).
С точки зрения гидродинамики ПЗП представляет собой кольцевую геодинамическую зону напряжений вокруг ствола скважины, в пределах которой изменяются фильтрационные характеристики в период строительства, эксплуатации и ремонта.
В гидродинамически несовершенной скважине эта кольцевая зона имеет более низкие значения коэффициентов проницаемости и пьезопроводности, чем остальная (удалённая) часть пласта. Снижение фильтрационноёмкостных свойств связано с характером и степенью вскрытия пласта, зоной загрязнения, набуханием горной породы, увеличением гидро-фильности, перераспределением напряжений и смыканием трещин, формированием электро-осмотических образований и других факторов. Радиус ПЗП измеряется от долей метра до нескольких метров, реже до десятков, а иногда достигает порядка 100 м. Величину радиуса определяют по результатам гидродинамических испытаний: в обсаженных скважинах через так называемый приведенный радиус скважины, в необсаженных - как радиус зоны загрязнения. Обработка таких скважин будет эффективной, если в результате воздействия будет снято частично или полностью дополнительное гидравлическое сопротивление в этом радиусе за счёт увеличения проницаемости. Возможно, что в процессе обработки проницаемость ПЗП станет значительно выше, чем у
пласта, и тогда дебит скважины может превысить теоретический дебит этой скважины при её совершенном вскрытии.
Среди гидродинамически несовершенных скважин особо следует выделить ту категорию, в которых вскрыты низко и очень низкопроницаемые породы. В таких скважинах зона ухудшенных коллекторских свойств может быть и небольшой, но в любом случае перед обработкой ставится задача увеличения естественной проницаемости пород в зоне с возможно большим радиусом, размеры которого определяются проектом работ путём применения того или иного способа, или нескольких способов воздействия. Это относится к коллекторам нефти с трудноизвлекаемыми запасами (проницаемость 0,02^50 мД), полностью к угольным месторождениям при дегазации и добычи метана через скважины с поверхности (проницаемость 0,001^5,0 мД), к метаморфическим породам, содержащим твёрдые полезные ископаемые, добыча которых ведётся физико-химическими способами, например, при подземном выщелачивании или плавлении путём закачки теплоносителя.
В гидродинамически совершенной скважине забой открыт по всей мощности пласта, здесь нет зоны с ухудшенными коллекторскими свойствами и, соответственно, дополнительных гидравлических потерь. Обработка таких скважин может быть связана с необходимостью повышения естественной проницаемости низкопроницаемых и очень низкопроницаемых пород вокруг скважины. Радиус этой зоны задаётся проектом на обработку, как в вышеописанном случае.
Естественно, что при любом способе воздействия на пласт зона охвата должна быть равномерной вокруг скважины. К этому, по крайней мере, необходимо стремиться, поскольку это обеспечивает полноту извлечения запасов.
Исходя из изложенного, выбор способа обработки пласта определяется:
• радиусом зоны ухудшенной проницаемости, её свойствами и состоянием массива в целом;
• необходимостью улучшения коллекторских свойств низкопроницаемых пород вокруг скважины как можно в большей зоне;
• возможностями самого способа решить поставленную задачу с учётом равномерного охвата активным воздействием всей зоны в проектном радиусе обработки.
Предлагаемый способ основан на применении пороховых генераторов давления (ПГД) и жидких горюче-окислительных составов (ГОС) при горении которых в заполненной жидкостью скважине образуется большое количество высокотемпературных газов, создающих давление достаточное для образования трещин разрыва в пласте. Трещинообразование обеспечивает надёжную газогидравлическую связь скважины с пластом и, с точки зрения подземной гидродинамики, является наиболее надёжным методом повышения проницаемости горных пород и увеличения дебита скважин.
Способы, способные создавать искусственную трещиноватость в горной породе в результате создаваемых ими давлений, называют силовыми. Нами сделана попытка разделить силовые способы по характеру своего воздействия на породу условно на три больших класса: квазистатические, длинноимпульсные (динамические) и короткоимпульсные (импульсные) воздействия (рис. 1). То есть, в основе такого деления силовых способов воздействия положен временной фактор. Такая классификация позволяет лучше понять и оценить возможности ПГД и ГОС, относящихся к динамическим способам.
Квазистатические воздействия. Их типичными представителями являются гидроразрыв (ГРП), гидрорасчленение
(ГР) и пневморасчленение (ПР) пласта. Реализация способов осу-
установок, обеспечивающих достаточно высокий темп закачки рабочего агента. Например, при гидрорасчленении угольных пластов обеспечивается импульс давления длительностью порядка 104^105 секунд с временем нарастания давления до максимума около 103 си скоростью нарастания давления не более 1 МПа/с.
Технически - это сложные и трудоёмкие способы. По воздействию на пласт они относятся к региональным, обеспечивающим радиус обработки до 100 и более метров. Их основные недостатки: создание единичных трещин -при ГРП; раскрытие и развитие только естественной трещиноватости - при ГР и ПР; неравномерность воздействия в результате раскрытия, главным образом, основной системы трещин; низкая эффективность при больших глубинах в результате смыкания трещин после снятия нагрузки.
Короткоимпульсные воздействия. К этой группе способов относятся взрывы с применением твёрдых и жидких взрывчатых веществ, кумулятивная перфорация, мощные электрические разряды, пневматические источники. Здесь механизм воздействия на породы принципиально иной и связан с резким скачком давления, распространяющимся в ближней от источника зоне в виде ударной волны.
При взрыве импульсы давления имеют следующие параметры: длительность положи-
тельной фазы порядка 10"3^10"2 с, скорость нарастания давления 105^107 МПа/с, амплитуда до 103 МПа и выше. С действием ударной волны связано образование области разрушений, состоящей из зоны дробления и зоны трещиноватости. Характерны небольшие размеры зоны трещиноватости [1, 2]. Даже в необсаженных скважинах. Так, экспериментальными исследованиями в рудных скважинах со сферическими зарядами массой от 0,1 до 138 кг установлено,
МПа
60
ществляется с применением мощных насосных и компрессорных
Рис. 1. Нагрузки, создаваемые различными силовыми методами воздействия на пласт в скважинах глубиной порядка 500 м
Короткоимпупьсмые воздействия Длинноимпульсные воздействия Квазистатические воздействия
Л взрыв
1 Г бескорпусмой . перфоратор
- \ І \ корпусной \ / \ перфоратор ПГД-42Т Д / \ ПГРИ-100
. I \ \ / пгд.гос ГРП
/ \ А И*
■ ). , *
что проницаемость пород увеличивается на расстоянии не более 25 радиусов заряда. При сотрясательном взрывании и торпедировании угольных массивов зарядами от 1,8 до 23 кг радиус зоны трещиноватости вокруг скважин составляет 1,4^6 м. В обсаженных скважинах обсадная колонна не выдерживает мощные нагрузки ударной волны взрыва, поэтому вес заряда сильно ограничен и при щадящем взрыве радиус трещинообразования не превышает первые метры.
Итак, взрывные способы характеризуются исключительно небольшим радиусом воздействия.
Динамические воздействия, создаваемые при горении ПГД или ГОС, занимают промежуточное положение. Процесс химического превращения при горении происходит послойно, поэтому протекает на несколько порядков медленнее скорости взрывного превращения. Благодаря этому скорость нарастания давления значительно меньше и горение не сопровождается образованием ударной волны, производящей разрушительное действие на окружающую горную породу и об-садй^ушролврвуцие ПГД позволяют производить воздействие на пласт в широком диапазоне нагрузок, как это показано на рис. 1. Импульсы давлений, создаваемые ими в скважине, характеризуются следующими параметрами: длительность эффективного импульса давления от нескольких миллисекунд до 0,5^2,0 секунд, скорость нарастания давления 102^105 МПа/с, амплитуда - на уровне горного давления и до 200 МПа (эффективное давление - величина давления, равная примерно 0,8 горного давления, достаточная для образования искусственных вертикальных трещин). При таких нагрузках нет зоны дробления, как при взрыве, зато происходит образование трещин. Берега этих трещин имеют пластические деформации. В результате после снятия нагрузки трещины не смыкаются полностью, их ширина уменьшается примерно на 50 % от первоначального раскрытия. Эти остаточные трещины не требуют закрепления [3].
По оценкам различных исследователей радиус воздействия при однократном применении ПГД в обсаженной скважине может быть равным 10^15 м.
При горении ГОС скорость нарастания и максимальная амплитуда давления аналогичны создаваемым генераторами, зато продолжи-
тельность эффективного давления в несколько раз больше и протяжённость создаваемых трещин может достигать 20 метров и более.
Среди множества геологических и физических факторов, определяющих процесс трещинообразования, особое значение имеет скорость нарастания нагрузки на породу, от которой зависит количество создаваемых трещин. Как показали многочисленные исследования [4, 5], при ёрШ < 103 МПа/с образуются единичные трещины, что характерно, например, для ГРП. При ёрШ > 103 МПа/с, что обеспечивают ПГД и ГОС, возникает множественная инициация трещин, дальнейшее развитие которых связано с газогидродинамическим расклинивающим воздействием в разных направлениях, не только по разупрочнённым направлениям.
Разработка и применение ПГД и ГОС тесно связана с нефтегазовой промышленностью. В конце 80-х годов ежегодные объёмы применения составляли от 2 до 4 тысяч скважино-обработок, сейчас в 2^3 раза меньше.
К настоящему времени разработана теория горения порохов и ГОС в скважине и воздействия продуктов горения на скважину и пласт, серийно выпускаются многочисленные типы генераторов, разработаны различные рецептуры ГОС, позволяющие проводить работы в вертикальных и наклонных нефтяных, газовых, рудных и угольных скважинах практически в любых геолого-технических условиях.
ПГД - устройства однократного применения. Для изготовления пороховых зарядов используются баллиститные и смесевые пороха. Устройство двух наиболее применяемых типов ПГД показано на рис. 2 и 3.
ГОСы представляют собой маловязкие высококонцентрированные водные растворы окислителя и горючего. В качестве окислителя используют нитрат аммония (селитра), перхлорат аммония, нитрат натрия, нитрат калия, в качестве горючего - глицерин, карбамид (мочевина), этиленгликоль и другие. Из достаточно большого количества марок ГОС применяется в основном марка ВНАМ - водный раствор нитрата аммония и мочевины. На дневной поверхности ГОС пожаробезопасны, нечувствительны к удару и трению в условиях работы на скважине. Их воспламенение в полузамкнутом объёме происходит при начальном давлении >15 МПа. Приготовление ГОС осуществляют на месте работ с использованием штатного технологического оборудования.
Рис. 2. Пороховой генератор давления ПГД.БК-100М: 1 -
крешерный прибор; 2 - кабель; 3 - наконечник; 4 - заряд основной; 5 - заряд воспламенительный; 6 - кабельная головка; 7 - пиропатрон; 8 - опорная труба; 9 - пусковой пиротехнический воспламенитель; 10 -уплотнение; 11 - заглушка; 12 -трос; 13 - гайка
Рис. 3. Пороховой генератор давления ПГД-42Т: 1 - крешерный прибор; 2 - кабель; 3 - груз; 4 - заряд основной; 5 - заряд воспламенительный; 6 - детонирующий шнур; 7 - взрывной патрон; 8 - наконечник
Л А
^.3
. л 1 і і л 2 • / / X
1/ Хг / Рг
і
Характеристика основных свойств порохов и различных рецептур ГОС, применяемых для обработки скважин, приведена в табл. 1.
Особо следует подчеркнуть высокую мобильность, технологичность, эффективность и экологическую безопасность рассматриваемых способов.
В бывшем СССР и в РФ периодический интерес к ПГД и ГОС проявляли специалисты горнорудной промышленности, занимающиеся вопросами дегазации на угольных шахтах, добычей редких металлов и серы физико-химичес-кими методами [6, 7]. Если говорить о практических результатах этих работ, то можно отметить, что по ряду причин, даже при ус-
пешном проведении обработок, как, например, в нагнетательных скважинах ПГО «Кировское» и ПО «Сера», где приёмистость практически непроницаемых гранито-гнейсов и плотных известняков была увеличена в 4,5-10 раз, или в угольных скважинах на поле шахты «Коммунист» ПО «Ок-тябрьуголь» в Донбассе, где проницаемость углей в радиусе до 30-50 м была увеличена с 0,2 до 33,4 мД, такие работы ограничивались опытно-промышленными испытаниями на нескольких скважинах.
Примером таких работ является применение ПГД в составе комплексной технологии при обработке угольных пластов в рамках программы «Метанобезопасность», выполняемых
Таблица 1
Характеристика свойств порохов и ГОС
Тип пороха и ГОС Плотность, г/см3 Баллистическая сила, МДж/кг Температура горения, К Объём газообразных продуктов, л/кг Применение (типы генераторов)
Балли- ститные пороха 1,57-1,61 0,885-1,100 1876-3000 800-1215 ПГД.БК-100 и 100/50, АДС-5(6), ПГРИ-100, ПГД-100 и другие
Смесевые пороха 1,45-1,85 0,950-1,200 1203-3500 750-1425 ПГД.БК-150, ПГД-42Т, АДС-200 и другие
ГОС 1,25-1,35 0,306-0,666 766-1712 800-1090 500-1000 л раствора и поджиг генератором
Примечание: объём газообразных продуктов приведен к нормальным условиям (Р = 0,1 МПа, Т = 20°С)______________________________________________________
Таблица 2
Исходные показатели и результаты расчётов коэффициента приёмистости 77
Ру - давление на устье, атм. 225 163 130 80 50
Р3 - давление на забое, атм. 328 263 233 183 153
АР = Р3 - Рш, атм. 233 168 138 88 58
q - расход жидкости, л/с (м3/сут.) 5,5 (475,2) 4,1 (354,2) 2,7 (232,3) 2,3 (198,7) 1,6 (138,2)
г] = q/AP, л/с-атм. (м3/сут.-атм.) 0,0236 (2,04) 0,0244 (2,11) 0,0196 (1,69) 0,0261 (2,26) 0,0276 (2,38)
научными сотрудниками МГГУ совместно со специалистами ОАО «Воркутауголь» на высокогазоносном поле доразведки шахты «Комсомольская». Здесь на удалении около 500 м от ближайших подземных горных выработок пробурено 3 скважины с целью заблаговременной дегазации угольных пластов и попутной добычи метана. На одной из них (скважина МТ-4447) в дополнение к основному способу воздействия - гидродинамическое воздействие на пласт в режиме фильтрации - выполнена первоочередная обработка генераторами ПГД.БК-100/50 [8].
В скважине МТ-4447 вскрыты кумулятивной перфорацией и обработаны два особо опасных угольных пласта рудницкой угленосной подсвиты, представленных углём марки «Ж» и имеющих эффективную пористость от 2,6 до 2,8%, водопроницаемость менее 1 мД, природную газоносность 17-34 м3/т. Мощность пластов 1,2 и 2,5 м, глубина залегания в пределах 1020-1030 м [9].
По результатам предварительного компьютерного моделирования (рис. 4), последующих после обработки теоретических расчётов, в основе которых - фактически измеренные максимальные давления во время горения, гидродинамических исследований методом пробных нагнетаний (табл. 2) было установлено:
• коэффициент гидропроводности равен 20,5 Дхсм/спз, коэффициент проницаемости 51 мД;
• протяжённость трещин может достигать 8-13 м.
Таким образом, проницаемость пласта увеличена более чем на два порядка и созданы благоприятные условия для последующего
1. Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород. - М.: Недра, 1973.
2. Пудовкин Ю.В. Интенсификация газоотдачи пла-
ста в скважинах при взрывоимпульсном воздействии.
Рис. 4. Расчётная зависимость давления и длины трещин от времени: 1 —
импульс давления в неперфорированной скважине (при отсутствии гидродинамической связи скважины с пластом); 2 -импульс давления в перфорированной скважине; 3 - длина трещин
гидрорасчленения, в процессе которого в скважину было закачано более 5 тыс. м3 жидкого рабочего агента при среднем давлении 19,5 МПа (Ртах= 23 МПа). По состоянию на начало 2005 г. происходит выдержка рабочей жидкости в угольных пластах, до полного замещения метана в сорбционном объёме.
Заключение
По результатам научных исследований и промышленных испытаний на различных месторождениях полезных ископаемых установлено:
• газогидродинамическое воздействие на пласт с помощью ПГД и ГОС является эффективным средством увеличения проницаемости ПЗП в радиусе до 30 м.
• многообразие конструкций генераторов и типов ГОС с различными энергетическими и амплитудно-временными характеристиками даёт возможность выбрать оптимальный режим обработки пласта, характеризующегося в каждом конкретном случае своими индивидуальными особенностями.
Учёные и инженеры МГГУ, имеющие более чем 20 летний опыт работ в данном направлении, предлагают свои разработки для внедрения [8].
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Научные сообщ. / Ин-т горн. дела им. А.А. Скочинского, 1989, с. 158-161.
3. Желтое Ю.П. Об образовании необратимых трещин в горных породах. Изв. АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение, 1960, № 6.
4. Методика многотрещинного разрыва пласта с помощью ракетного топлива с целью увеличения добычи газа. Перевод с англ. SPE/DOE/GRI 12838, Unconv. Gas Recovery Symp., Pittsburgh, P.A., May 13...15, 1984, pp. 77...85.
5. Технический обзор методики высокоэнергетической газовой стимуляции. Перевод с англ. Bob Haney (Propellant Stimulation Services), David Cuthill, P.Eng. (Computalog Ltd), 1996.
6. Клибанец C.B., Клибанец B.A., Мельник Г.В. Некоторые особенности воздействия на сероносный пласт энергией взрыва. В сб. Техника и методика прострелоч-
но-взрывных работ в скважинах: Тезисы докладов Всесоюзного совещания, г. Хадыжинск / ВСЕГЕИ, Ленинград, 1988.
7. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: МГГУ, 1996.
8. Сластунов С.В., Шилов А.А., Грибанов НИ Дегазация угольных пластов пороховыми генераторами давления. Журн.: Горная промышленность, 2004, № 2, с.12-18.
9. Методологическая оценка перспектив промышленной добычи метана в Печорском угольном бассейне. / Л.А.Пучков, С.В. Сластунов, А.В. Агарков, А.А. Шилов - М.: Издательство «Институт ИСПИН», 2003. - 560 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------
Сластунов Сергей Викторович - проректор по научной работе, доктор технических наук, Шилов Анатолий Алексеевич - кандидат технических наук,
Грибанов, Николай Иванович — инженер,
Московский государственный горный университет.
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ Д Ш ^ ^ & Г 1 А Ц И И
Автор Название работы Специальность Ученая степень
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. ИМ. ГУБКИНА
ХАРЧЕНКО Юрий Алексеевич Энергосберегающие системы сбора углеводородов на месторождениях континентального шельфа 25.00.18 Д.т.н.
БОГАТЫРЕВА Методы обеспечения безопасности персонала неф- 25.00.18 к.т.н.
Елена тегазовых платформ Арктического шельфа
Викторовна
