Особенности формирования и передачи энергии вибровоздействия от источника в угольный пласт Текст научной статьи по специальности «Физика»

© М.В. Павленко, Л.Н. Михайлов, 2003

УЛК 622.8

М.В. Павленко, Л.Н. Михайлов

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕЛАЧИ ЭНЕРГИИ ВИБРОВОЗЛЕЙСТВИЯ ОТ ИСТОЧНИКА В УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ

Проблема извлечения метана из угольных пластов в настоящее время представляется весьма важной. Ее актуальность усиливается требованиями интенсивного извлечения и комплексного использования угольных месторождений (добыча угольного метана), предупреждением возможных катастроф на шахтах (взрыв метана), а также предотвращения массового поступления угольного метана в атмосферу Земли для уменьшения парникового эффекта. Во многих странах метан, содержащийся в угольном пласте, привлекает внимание и с точки зрения потенциального источника топлива.

1. Для удаления метана из газонасыщенного угольного пласта в процессе активного воздействия обычно применяются три технологические схемы: 1) “гидравлическая сбойка” между скважинами - вытеснение метана к системе скважин с помощью нагнетания другого флюида; 2) продавливание метана в выработку (так же посредством закачки вытесняющего флюида в нагнетательную скважину); 3) “оттеснение на границу зоны обработки” - путем закачки флюида в нагнетательную скважину метан оттесняется на периферию, что обычно сопровождается повышением давления на границе зоны обработки в области его скопления. Отличие последней схемы от предыдущих состоит только в том, что на втором этапе проводится откачка вытесняющего флюида. При этом, благодаря наличию избыточного давления в области скопления метана, а так же образованию системы трещин в процессе закачке флюида, затем его удаление, после чего метан интенсивно выходит через нагнетательную скважину.

В обоих случаях закачиваемый под высоким давлением флюид приводит к созданию магистральной системы трещин, ориентированных к скважине, и, затем, последовательно вытесняет метан сначала из этих крупных трещин, а затем, постепенно, и из блоков с низкой проницаемостью и пористостью. В качестве вытесняющего флюида обычно используют углекислый газ [19, 21], азот или воду.

В предлагаемой ниже технологии гидровоздействия на угольный пласт в качестве вытесняющего флюида использовалась вода и последующее вибровоздействие. При этом авторы обращаются к богатому опыту, накопленному в нефтяной промышленности, свидетельствующему об успешном применении вибрации при интенсификации процессов вытеснения нефти из пласта [11, 9, 17]. Прежде всего отметим, что виброволновые методы воздействия являются экологически чистыми, не вызывают нарушения технического состояния скважин, не тре-

буют сложного оборудования и реагентов, не приводят к серьезным изменениям в окружающей геологической среде.

Виброволновые методы находят все более широкое применение в нефтедобывающей промышленности, причем воздействие преимущественно осуществляется двумя способами. Во-первых путем воздействия через призабойную зону пласта [11, 5, 18, 2, 3, 10, 15]. При этом источник колебаний либо опускается в скважину, либо расположен в устье скважины, а колебательная энергия подводится на нужную глубину к угольному пласту с помощью волновода. Однако, в силу технических особенностей, создание мощного низкочастотного компактного источника колебаний представляет достаточно сложную задачу. Поэтому, как правило, спускаемые источники работают на достаточно высоких частотах (от 1 кГц и выше). Поскольку коэффициент затухания волны растет с ее частотой, такое воздействие эффективно только в достаточно ограниченной призабойной зоне даже при относительно высокой мощности источника. (Заметим, что ультразвуковые колебания в полностью насыщенной породе существенно затухают на расстоянии уже первых метров [13]).

Альтернативным способом виброволнового воздействия на пласт является использование низкочастотных источников, посылающих волновую энергию с земной поверхности - сейсмических вибраторов [16, 9, 17, 1]. Такого рода вибраторы работают на низких частотах (порядка 1-60 Гц) и имеют большую мощность (масса плиты-ударника составляет десятки тонн). Данный метод отличается большой зоной охвата (эффективный охват продуктивного пласта по площади при воздействии от одного виброисточника достигает 25 км2), однако требует громоздкого оборудования. Так, для создания необходимой плотности сейсмической энергии на глубине до 2-2,5 км необходимо обеспечить большую амплитуду возмущающей силы на поверхности, что требует тяжелых ударников (несколько тонн). Достаточно отметить, что пласта достигает лишь доля процента посылаемой энергии. (В продольную волну переходит только 7% полной энергии, а в сдвиговую - 15% [16]. Остальная энергия уходит в виде поверхностных волн. Далее, фронт сферической волны распространяется по закону 2пЛ, поэтому плотность энергии волны на глубине, например, 1000 м будет почти на шесть порядков меньше чем на поверхности).

Исходя из анализа указанных выше преимуществ и недостатков имеющихся методов воздействия, было решено использовать генератор низкочастотных колебаний, размещенный на устье скважины. Диапазон излучаемых колебаний составляет от единиц, до нескольких десятков герц [4]. При этом, проводником волновой энергии выступает вода, заполняющая скважину (технологическая схема проведена на рис. 1). Стоит подчеркнуть, что предварительно, перед началом виброобработки, пласт был предварительно

подвегнут гидровоздействию под высоким давлением. После этого воздействия вода оставалась в трещинах и порах. Тем самым обеспечивалось создание нескольких газо- и гидропроводящих систем трещин и создание согласования системы "скважина с водой - пласт" для эффективной передачи акустической энергии.

Последующее виброволновое воздействие приводит к образованию новых микротрещин в угольном массиве, их объединению, и, в конечном итоге, улучшению фильтрационных свойств обрабатываемого угольного пласта [4, 14]. Вибрационные колебания могут так же вызывать изменение напряженно-деформационного состояния пород и, тем самым, оказывать дополнительное влияние на проницаемость и пористость массива (некоторые эмпирические зависимости проницаемости и пористости угольного массива от эффективных напряжений приведены в [20]). О существенном изменении фильтрационно-емкостных свойств угольного массива в ходе виброволнового воздействия свидетельствуют и промышленные эксперименты - при наложении вибрационных колебаний наблюдалось увеличение объема поглощения воды угольным массивом (рис. 2).

Заметим, что имеются эксперименты, свидетельствующие о непосредственном влиянии вибрационных колебаний на подпочвенные газы. Например, авторы [12] зафиксировали повышенный объем выхода углеводородной газовой компоненты на поверхность при вибрационном воздействии (использовались тяжелые поверхностные вибраторы).

Причем, интенсивность выхода газовой компоненты зависит от частоты воздействия и имеет частотный оптимум, соответствующий интервалам

Рис. 1. Схема эксперимента по проведению вибровоздействия через скважину “Комсомольская” ОАО “Воркутауголь”: 1 - дневная поверхность; 2 - угольный пласт; 3 -генератор вибраций; 4- водяной столб в скважине

16-20, 40-45, 65-70 Гц. Для объяснения регистрируемых частотных оптимумов предполагается, что при распространении вибрационных колебаний в атмосфере подпочв происходят механохимические реакции, скорость которых зависит от интенсивности и частоты распространяющейся волны.

2. Для оптимизации передачи энергии от источника в пласт воздействие осуществляется на резонансной частоте скважины. Приведем далее оценки резонансных частот и найдем распределение давления в скважине длиной £. Предположим, что стенки обсадной колонны являются абсолютно жесткими. Направим ось X вдоль скважины и поместим начало отсчета на ее закрытый конец. Тогда устье, где расположен генератор колебаний, находится в точке с координатой £. Будем считать что противоположный конец скважины закрыт заглушкой с проводимостью У.

В случае среды без потерь распространение колебаний в столбе жидкости описывается обычным волновым уравнением:

з2 „ а2 „

р о

dt

г

с,

дх

г

(l)

где р - давление, а с0 = (урь/р0)- - скорость звука в жидкости; у - показатель адиабаты; р0 и р0 - давление и плотность невозмущенной среды.

Граничные условия будут иметь вид:

px=l = Pocos(rat); vL=o = PY

(2)

где ю - частота колебаний, V - скорость смещения точки в волне.

Тогда распределение давления вдоль скважины будет выглядеть следующим образом [7]:

P = Po

cos'

(kx + а)

СОБ

(kL + а)

(З)

где А - амплитуда колебаний, к - волновое число, а сдвиг фазы.

Из граничных условий находится что

а = arctan(ipcY )

(4)

Резонанс наступает в случае, когда знаменатель обращается в нуль:

kL + а

гі -1

г

-п

(5)

Рис. 2. Динамика поглощения жидкости в угольном массиве при вибровоздействии через скважину “Комсомольская” ОАО “Воркутауголь”: I - вибратор с весом дебаланса 86 кг; II - с весом дебаланса 52 кг

Если закрытый конец скважины рассматривать как абсолютно жесткую крышку, тогда а = 0 и формула (4) упрощается.

21 — 1 кЬ =---------п

2

(5*)

Поскольку длина волны связана с волновым числом X = 2п/к, то формула (5 ) означает, что при резонансе на длине скважины укладывается нечетное число четвертей длин волн. При этом точка приложения стороннего давления (устье скважины) совпадает с пучностью давления. Резонансные частоты равны, соответственно,

Ш; =

21 — 1 2 Ь

по,

(б)

Распределение давления схематично представлено на рис. 3. Для нахождения амплитуды вынужденных колебаний необходимо учитывать поглощение звука, поскольку в противном случае при резонансной частоте его амплитуда растет до бесконечности.

Мы можем сделать некоторые технологически важные выводы. Поскольку пучность (максимум) давления находится в точке размещения генератора и при резонансе на длине скважины укладывается нечетное число четвертей длин волн, то на частоте первого резонанса узел давления приходится на противоположный (глухой) конец скважины (рис. 3). Таким образом, давление на уровне пласта (интервалов перфорации), будет небольшим. Не намного лучше ситуация и на второй резонансной частоте.

Рис. 3. Распределение амплитуд давления на первых шести резонансных частотах трубы длины = 1000 м, возбуждаемой источником в начале координат ( х = 0)

Однако, с ростом номера резонансной частоты, на длине скважины укладывается все большее число четвертей длин волн. Следовательно, последняя пучность давления сдвигается все ближе и ближе к закрытому концу скважины (хотя на самом конце всегда расположен узел).

С другой стороны, с ростом частоты излучаемой волны, растет и коэффициент ее затухания (для вязкостного механизма поглощение пропорционально квадрату частоты волны). Поэтому для обеспечения оптимальности воздействия достаточно использовать третью или четвертую резонансную частоту скважины (см. рис. 3).

3. Как мы уже отмечали, для расчета максимальной амплитуды давления вынужденных колебаний необходимо учитывать потери энергии в скважине. Вообще говоря, это отдельная достаточно сложная задача, поскольку априори не известно какого рода потери в данной конкретной скважине играют определяющую роль.

В целом, потери могут быть связаны с поглощением энергии волны за счет вязкости жидкости, уходом части энергии из-за потерь на закрытом конце скважины, из-за излучения энергии благодаря возбуждению радиальных колебаний скважины, уходу энергии из перфорационных отверстий и т.д.

Кроме того, существенное уменьшение величины давления в пучности может происходить из-за отстройки от резонансной частоты. Действительно, на практике мы никогда не сможем в точности выполнить условие резонанса. Это связано с погрешностью реальных технических конструкций - неточностью измерения длины скважины, отклонения частоты генератора от резонансной и т.д.

В общем случае, действие потерь можно учесть [7], считая волновое число комплексным к = к(1 + /5). При этом полагается, что затухание мало (8 << 1) и, следовательно, распределение давления мало отличается от распределения вне резонанса при отсутствии поглощения, но амплитуда резонансных колебаний существенно зависит от действия потерь. Подставляя комплексное волновое число в формулу (3) и считая заглушку на конце скважины абсолютно жесткой (а = 0), получаем:

cos\k (1 + /5)х] р = Роео8\(1 + /5)] (7)

На резонансной частоте колебания номера 1 (см. формулу (5 )) выражение (7) имеет вид:

СОБ

Р = Ро

21 — 1

(1 + гб)

2

п

Максимальная амплитуда при этом равна

|Ро|

Ртах =

21 — 1 2

(9)

пб

Если предположить, что основные потери связаны с поглощением звука в среде за счет вязкости, то коэффициент поглощения звука равен:

Ь 2

б =

2р

о 3

о^о

Ш

(10)

здесь Ь = (4/3)т + ^ ; т - сдвиговая вязкость; ^ - объемная вязкость.

Однако, оценки максимальной амплитуды давления при этом дают сильно завышенные величины, не реализуемые на практике. Следовательно, мы не учли иные, более существенные потери энергии.

Например, важным источником потерь являются потери из-за потерь на закрытом конце трубы. Предположим, что проводимость крышки на закрытом конце трубы чисто активная У = Л Тогда, подставляя в формулу (3) выражение для резонанса (5 ) получаем;

СОБ

Р = Ро-

-п — + агс1ап(г'р0оЛ)

(11)

СОБ

2/ — 1 2

Для трубы с открытым концом выражение для проводимости определяется как [7]:

Я=-

4п

4по0

(12)

Рооок Б роШ ^

где Б- площадь поперечного сечения трубы.

Уход энергии из боковых стенок так же необходимо учитывать. Действительно, для поступления нагнетаемой жидкости в угольный массив в стенке скважины создаются отверстия (перфорация), расположенные на уровне пласта. Поскольку перфорационные каналы узки, скорость движения жидкости в них велика по сравнению со скоростями движения жидкости внутри скважины. Такой источник объемной скорости является излучателем монопольного типа, а средняя излучаемая мощность определяется выражением [7]:

1

J = —рок2 Б2 V2 =

8п 8п

1 рш2a2v2

(13)

здесь а - площадь одного перфорационного отверстия, V - амплитуда скорости движения жидкости в этом отверстии.

Мощность излучения колебательной энергии одним перфорационным отверстием мала, однако в работе [9] отмечается, что в случае системы близко расположенных монопольных излучателей (когда среднее расстояние между ними меньше или равно одной шестой длины волны), данные излучатели начинают взаимодействовать между собой. При такой синфазной работе излучателей общая мощность излучения растет пропорционально квадрату числа из-

лучателей. В общем случае, при большой амплиту-де распространяющейся волны, существенный вклад в потери энергии дает и излучение за счет возбуждения радиальных колебаний скважины. Нельзя пренебрегать и нелинейными эффектами, усиливающимися с ростом амплитуды волны [6, 8].

Подводя итог, можно сказать что в силу сложности конструкции, теоретический расчет потерь и, следовательно, максимальной амплитуды давления на резонансной частоте представляет достаточно трудоемкую задачу. Кроме того, в силу технических погрешностей (неточность измерения длины скважины, отстройка генератора от резонансной частоты и т.д.), мы никогда не сможем точно достичь условий резонанса и ошибка, вообще говоря, может быть существенной.

Гораздо проще оценить добротность резонатора (скважины, заполненной водой) практическим путем и принимать давление в пучности равным давлению, установившимуся на устье скважины при воздействии на частоте, близкой к резонансной. (Как мы помним (см. рис. 3), пучность давления находится именно на источнике виброколебаний).

4. В завершении, обратимся к конкретному примеру. Пусть скважина является абсолютно вертикальной и ее глубина составляет 1000 м.

Ствол скважины заполнен водой (скорость звука в воде составляет около 1500 м/с). Как уже отмечалось ранее, для создания повышенного давления в области интервалов перфорации (ближе к закрытому концу скважины), оптимально воздействовать не на первых резонансных частотах скважины, а на третьей или четвертой. Тогда из формулы (6) получаем (1= 4):

2 • 4 -1 7 • 3.14-1500

ю 4 = ———пс0 =------——------« 16.5 Гц

2Ь

2000

Определим первоначальное давление, создаваемое генератором виброколебаний на устье скважины. В полевых экспериментах было установлено, что после установившихся гармонических колебаний амплитуда смещения плиты генератора составляла порядка ^0 = 1 см.

Тогда из уравнения баланса импульса:

(14)

д2£, = др Р° д/2 дх

следует, что при гармоническом колебании р = р0 вхрюЬ-кХ] и Е, = ^0 вхрюЬ-кХ] связь между амплитудой давления и амплитудой смещения имеет вид:

Ро = Росю%о (15)

где р0 - плотность невозмущенной среды, ю - частота, к - волновое число гармонической волны, а скорость волны в среде без дисперсии равна с0 = ю/к.

При наших параметрах задачи амплитуда давления равна

р0 = 1000 кг/м3 1500 м/с 16.5 Гц 10-2 м = 2.47 1 05 Па.

Однако отметим, что на данной частоте коэффициент затухания волны, связанный с вязкими потерями, мал.

2

о

Отсюда можно предположить, что успешное формирование и передача энергии вибровоздействия от источника в скважину гидровоздействия позволит обеспечить выполнение условия резонанса, а пучность (максимум) давления будет приниматься равной давлению, установившейся на устье скважины при воздействии на частоте, близкой к резонансной.

Таким образом, можно утверждать, что энергия источника виброколебаний стимулирует расширение имеющихся и образование в угольном пласте новых систем трещин и обеспечение интенсификации процесса поглощения массивом жидкости из скважины.

1. Асан-Джалалов А.Г., Кузнецов В.В, Киссин И.Г. и др. Способ разработки обводненного нефтяного месторождения. Авторское свидетельство СССР, № 1596081, кл. Е 21 В 43/00, 1990.

2. Бриллиант Л.С. и др. Опытно-промышленные испытания мощного низкочастотного излучателя для интенсификации добычи нефти. Нефтяное хозяйство, 2000, N0 9, 86.

3. Булавин В.Д., Курбатов П.А., Кравцов Я.И., Терехов Ю.Н, Фролов М.Г. Опыт применения виб-роакустического оборудования в нефтегазовой промышленности. В сб. “Высоковязкие нефти, природные битумы и остаточная нефть разрабатываемых месторождений”, Казань, 1999, 388 - 396.

4. Васючков Ю.Ф, Павленко М.В. Метод интенсификации газо-отдачи с использованием волновых полей. ГИАБ, - М.: Изд-во МГГУ, №5, 1998.

5. Дыбленко В.П, Шарифул-лин Р.Я., Туфанов И.А. и д.р. Технология повышения продуктивности и реанимации скважин с примением виброволнового воздействия. Нефтепромысловое дело. 1994, N0 5, 25-28.

6. Зарембо Л.К. Акустический журнал, 1970, т.16, стр. 5861.

7. Исакович М.А. Общая акустика. - М.: Наука, 1973, 496 с.

8. Канер В. В, Руденко О. В, Хохлов Р.В. К теории нелинейных колебаний в акустических резонаторах. Акустический журнал, 1977, т. 23, вып. 5, стр. 756-765.

9. Кузнецов О.Л., Симкин

Э.М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействий на нефтегазовые пласты. - М.: Мир, 2001, 260 с.

10. Музафазалов Р.Ш., Гимаев Р.Н, Арсланов И.Г., Зарипов Р.К. Акустические генераторы, разработанные для интенсификации технологических процессов добычи и переработки нефти. В сб. “Высоковязкие нефти, природные битумы и остаточная нефть разрабатываемых месторождений”, - Казань, 1999, 329 - 335.

11. На змиев И. М., Андрейцев С.В., Горюнов А.В. Низкочастотное ударно-волновое воздействие -эффективный метод повышения нефтеотдачи пластов. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. 1997, N0 2, 42-45.

12. Николаев А.В, Войтов ГИ, Кузнецов В.В. и др. Резонансный эффект геохимического отклика нефтяного пласта на сейсмическое воздействие.// Докл. АН СССР, 1989, Т. 308, № 4, С. 832-837.

13. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. - М.: Недра, 1996. 447 с.

14. Павленко М.В. Особенности метановыделения из угля при использовании волнового воздействия // Сб. тр. «Современные проблемы шахтного метана». - М.: Изд-во МГГУ, 1999, С. 203-205.

15. Потапов Г. А., Правдухин В.М. Оценка эффективности воздействия мощного низкочастотного акустического излучения на призабойную зону. Нефтяное хозяйство. 2000, N0 9, 82.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

16. Сейсмическое вибровоздействие на нефтяную залежь. М.: ИФЗ РАН, 1993.

17. Симонов Б.Ф., Опарин В.Н, Канискин Н.А., Передников Е.Н., Кадышев А.И., Масленников В.В. Вибросейсмическое воздействие на нефтяные пласты с земной поверхности. Нефтяное хозяйство, 2000, No 5, 41-47.

18. Урюпин В.А., Матяж Т.Н., Лебединец А.П. и др. Использование источника колебаний для интенсификации добычи нефти. Нефтяное хозяйство, 1995, No 3, 78-75.

19. Hijman R.V., Barzandji O.H., Phil M, de Haan M.F.E., Wolf K-H.A.A., Webbink J, Bruining J. Carbon dioxide storage in and methane production from Carboniferous coals by using carbon dioxide injection, report TU-Delft-Novem, 1998

20. McKee C.R, Bumb A.C., Koenig R.A. Stress-depend permeability and porosity of coal. In.: Proceeding of the 1987 Coalbed Methane Symposium, University of Alabama, Tuscaloosa, USA, pp. 183-193.

21. Reznik A.A., Singh P.K., Foley W.L. An analysis of the effect of carbon dioxode injection on the recovery of in-situ methane from bity-minous coal: an experimental study, Unconventional Gas Recovery Symposium, SPE/D0E10829, pages 975990, Pittsburh, P.A., 1982, Society of Petroleum Engineers.

22. Wolf K-H.A.A, Westerink H.H.E., van Delft P. TP, Bruining J. Coalbed methane production in the Netherlands; an inventory, report TU-Delft-Novem, 1997.

KОPОTKО ОБ AB^PAX

Павленко М.В. - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет. Михайлов Д.Н. - кандидат технических наук, Институт физики Земли им. Г.А. Гамбурцева (РАН).

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Ш

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 45 мин.

Дата печати: 08.11.2008 1:16:00

При последней печати страниц: 5

слов: 3 366 (прибл.)

знаков: 19 190 (прибл.)

ПАВЛЕНКО

G:\^ работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB5_03 C: \U sers\Таня\AppData\Roammg\Microsoft\Шаблоны\N ormal.do

Victor

10.04.2003 23:25:00 г1

0В.11.2008 0:46:00 Таня