CC BY
37
УДК 534.232
РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ И МЕТОДИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СКВАЖИННОГО ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДЕГАЗАЦИИ
Леонид Алексеевич Рыбалкин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)335-96-42, e-mail: Leonid.Rybalkin@gmail.com
Валерий Всеволодович Сказка
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор физико-математических наук, тел. (383)335-96-42, e-mail: skazka@math.nsc.ru
Сергей Владимирович Сердюков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)335-96-42, e-mail: ss3032@yandex.ru
В статье приведены результаты исследования вибрационного воздействия скважинного дебалансного источника. Разработана математическая модель излучения скважинного деба-лансного источника в ближней зоне, проведены численные исследования, по результатам которых установлено, что для обеспечения требуемой интенсивности воздействия, в обрабатываемом объеме углепородного массива, вибрационное воздействие должно осуществляться в режиме меняющейся во времени частоты вибрации. Разработан прототип технических решений по вибрационному воздействию на угольный пласт.
Ключевые слова: вибровоздействие, дегазация, метан угольных пластов.
EQUIPMENT AND PROCEDURES OF DOWNHOLE VIBRATION STIMULATION OF GAS DRAINAGE
Leonid A. Rybalkin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate, tel. (383)335-96-42, e-mail: Leonid.Rybalkin@gmail.com
Valery V. Skazka
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Phys-Math, tel. (383)335-96-42, e-mail: skazka@math.nsc.ru
Sergey V. Serdyukov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Laboratory for Physical Rock Mass Stimulation Methods, tel. (383)335-96-42, e-mail: ss3032@yandex.ru
The article reports the research findings on vibration impact generated by down hole unbalance source. The authors have modeled mathematically the down hole unbalance vibration source action in the near-field range and performed numerical analysis that shows the required efficiency of the vibration effect on coal and rock mass needs the time-varying frequency of vibration generation. The prototype equipment for vibration effect on coal bed has been designed.
Key words: vibration impact, gas drainage, coal bed methane.
Интенсификация десорбции метана, для повышения эффективности и степени дегазации углепородного массива, предполагает применение различных технологии по повышению проницаемости угольных пластов, например гидроразрыв пласта. Однако применение таких технологий не всегда приводит к заметному увеличению проницаемости, одной из причин является блокировка метана в микротрещинах и порах капиллярным давлением воды после образования депрессии. В связи с этим, необходимо применять и другие технологии для увеличения газоотдачи угольных пластов.
Перспективным методом интенсификации десорбции и фильтрации угле-метана является вибрационное воздействие на неразгруженные угольные пласты низкочастотными сейсмическими полями, возбуждаемыми скважинными источниками [1].
В Институте горного дела СО РАН проведены математическое моделирование и численные исследования скважинного вибрационного источника деба-лансного типа с целью оптимизации режимов работы вибросейсмического излучателя, для обеспечения высокой удельной мощности упругих колебаний в обрабатываемом объеме углепородного массива, а так же разработан прототип технических решений по вибрационному воздействию на угольный пласт.
В расчетах использованы следующие параметры среды: плотность р = 2100 кг/м , скорости продольных и поперечных волн Ур = 2400 м/с,
У8 = Ур / л/з , радиус скважины Я0 = 0.084 м.
Математическая модель показана на рис. 1 [2]. Амплитуда смещения частиц среды в волновом поле на расстоянии г=20 метров от скважины при вращении дебаланса с круговой частотой 70Гц, в зависимости от положения точки наблюдения по оси, показана на рис. 2. Графики максимальных амплитуд вектора смещений частиц среды в волновом поле на расстояниях г=1, 10, 20 м, а также графики значения z при котором этот максимум достигается в зависимости от частоты вращения дебаланса показаны на рис. 3.
Рис. 1. Модель силового воздействия, приложенного ортогонально, дебалансного скважинного источника, имеющего конечные размеры
по оси скважины (ось z)
Рис. 2. График амплитуды смещения среды в волновом поле в зависимости от положения точки наблюдения по оси ^ при г=20м, ю=70 Гц
Рис. 3. Графики максимальной амплитуды вектора смещения частиц среды при г=20м в волновом поле (а) и положения этого максимума по оси ъ (б) от круговой частоты вращения дебаланса
Приведенные на рис. 3 графики показывают сильную пространственную изменчивость интенсивности вибрационного воздействия в ближней зоне деба-лансного источника и ее значительную зависимость от частоты генерируемых колебаний.
Из полученных результатов следует, что при амплитуде силы 15 кН и частоте вибрации 100Гц амплитуда смещения частиц среды на расстоянии 10 м от источника составит около 10" м, что для заданных свойств среды соответствует интенсивности воздействия 0,01 Вт/м . Радиус охвата углепородного массива вибрационным воздействием составит 30-40 м (рис. 2).
Результаты экспериментальных исследований, представленные в [3], показывают, что для значимого повышения проницаемости среды по газу и жидкости, интенсивность вибрационного воздействия должна быть не ниже
л
0.01 Вт/м , а частота колебаний лежать в диапазоне 150 - 300 Гц (рис. 4).
Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований эффективности вибрационного воздействия на массив флюидонасыщенных горных пород скважинным дебалансным источником DHVT
При разработке экспериментального образца дебалансного скважинного источника за основу выбрана конструкция прижимного электромеханического узла скважинного сейсмического прибора АМЦ-ВСП-3-48М производства ОАО НПП ВНИИГИС (г. Октябрьский) (рис. 5).
Прижимной узел прибора АМЦ-ВСП-3-48М обеспечивает закрепление прибора в скважинах диаметром 59 - 320 мм с максимальным усилием на внешнем конце рычага 850 Н. Внешний конец рычага был дополнительно снабжен шарнирно соединенной контактной площадкой увеличенной площади. В качестве привода виброисточника, мощностью 120 - 500 Вт, может использоваться пневмодвигатель вращательного движения. Возможным вариантом привода в диапазоне частот до 300Гц является пневмомотор PHR компании Ober (Италия).
Рис. 5. Скважинный прибор АМЦ-ВСП-3-48М с выдвинутым рычагом электромеханического прижимного устройства в скважине [18]
Частота вибрационного воздействия меняется в процессе работ, по линейному закону (режим ЛЧМ). Что в свою очередь позволяет равномерно и последовательно охватывать обрабатываемую область углепородного массива (ближняя зона дебалансного скважинного источника) с интенсивностью воз-
л
действия не менее 0,01 Вт/м .
Частотный диапазон, для регулирования кинетического момента дебаланс-ного вибратора с целью соблюдения ограничений по диапазону амплитуды вибротяговой силы, был разделен на два поддиапазона равной ширины 100-173 Гц и 173-300 Гц.
На рис. 6 показана принципиальная схема разработанного вибрационного оборудования. Оно состоит из пульта, соединительных линий и скважинного устройства, содержащих пневматическую и электрическую части.
В результате исследований разработана математическая модель излучения скважинного дебалансного источника в ближней зоне, проведены численные исследования по результатам которых установлено, что для обеспечения требуемой интенсивности воздействия 0,01 Вт/м и более в обрабатываемом объеме углепородного массива, вибрационное воздействие должно осуществляться в режиме меняющейся во времени частоты вибрации в диапазоне частот 100-173 Гц и 173-300 Гц.
Перспективным направлением исследований является комбинированный способ вибровоздействия и метода направленного ГРП, что позволяет повысить эффективность интенсификации дегазации за счет создания устойчивой фильтрационной связи между стволом дегазационной скважины и угольным массивом.
Рис. 6. Принципиальная схема вибрационного скважинного оборудования для воздействия для интенсификации предварительной дегазации.
Условные обозначения: МН - манометр; ВН - газовый вентиль; КР - клапан редукционный; ДР - дроссель регулируемый; БП - блок электрического питания; Кл - электрический переключатель; ПМ - пневмомотор; М - электродвигатель узла электромеханического прижима; РП - рычаг прижимной, ВП - винтовая пара; ПП - планетарная передача (редуктор); ЧМ - частотомер; ДС - датчик сейсмических колебаний; ш1 - воздуховод (гибкий шланг) внутренним диаметром 6-8 мм; к1 - электрический одножильный бронированный кабель
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, проект RFMEFI60414X0096.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Курленя М.В., Сердюков С.В. Реакция флюидов нефтепродуктивного пласта на вибросейсмическое воздействие малой интенсивности // ФТПРПИ. - 1999. - № 2. - С. 11-17.
2. Сказка В.В., Сердюков С.В., Ерохин Г.Н., Сердюков А.С. Анализ ближней зоны излучения сейсмического источника, действующего вдоль оси скважины // ФТПРПИ. - 2013. -№1. - С. 70-78.
3. Westermark R., Brett J. F. Enhanced oil recovery with downhole vibration stimulation in Osage County Oklahoma: Final Report // July 13, 2000 - June 30, 2003. - DOI: 10.2172/822922.
© Л. А. Рыбалкин, В. В. Сказка, С. В. Сердюков, 2015
