CC BY
18
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК «24.042.7 Ю. А. БУРЬЯН
В. Н. СОРОКИН В. С. КОРНЕЕВ
Омский государственный технический университет
СКВАЖИННЫЙ ИСТОЧНИК УПРУГИХ волн ДЛЯ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЯНЫЕ ПЛАСТЫ
В работе рассмотрена возможность построения низкочастотного скважинного источника для вибросейсмического воздействия на нефтяные пласты с целью повышения нефтеотдачи.
Силовой элемент источника — гидравлический пульсатор устанавливается на устье скважины, заполненной жидкостью, и создает перепад давления с требуемой частотой, который доводится до забойной зоны.
Составлена математическая модель передачи перепада давления от устья скважины до забойной части с учетом сжимаемости среды и определены режимы работы пульсатора.
В настоящее время для виброобработки нефтяных пластов с целью повышения их отдачи используются в основном мощные наземные низкочастотные вибромодули. Опытно-промышленными работами на месторождениях Сибири, Башкортостана и др. показана эффективность этого метода интенсификации добычи нефти [5]. Доказано [6], что при наведении в толще обводненного пласта волнового поля
малой интенсивности с амплитудой смещения не менее 3 — 5 мм происходит увеличение добычи нефти до 2 раз, по сравнению с добычей до начала вибровоздействия, причем эффект сохраняется в течение 6 месяцев после прекращения вибровоздействия.
Существенным недостатком поверхностных сейсмических источников является то, что они кроме продольных и поперечных излучают поверхностные
волны, на долю которых приходится до 80% энергии, излучаемой источником. Кроме того, значительное поглощение сейсмической энергии происходит в поверхностной зоне малых скоростей геологического разреза.
Альтернативой мощным наземным источникам может стать скважинный источник, который лишён недостатков, присущих поверхностным сейсмическим источникам, так как его излучетель устанавливается ниже зоны малых скоростей. В следствие чего актуальной является проблема создания скважин-ным источником в толще пласта волнового поля, соизмеримого по интенсивности и радиусу охвата с полем, создаваемым низкочастотным наземным источником.
Рассмотрим возможность создания волнового поля в толще пласта с помощью доведения перепада давления на устье скважины до забойной зоны по заполненной жидкостью скважине.
Пусть глубокая скважина заполнена жидкостью и от ее устья до забойной зоны передается перепад давления АР с заданной частотой. В этом случае линия ее контакта с грунтом будет работать как заглубленный источник колебаний. Известно [ 1 ], что условием допустимости деформации грунта под штампом в пределах упругости является выполнение неравенства:
Дх<10 гп
(1)
где Ах - линейная деформация грунта под штампом; г()- радиус круглого жесткого штампа.
Известно также [7], что жесткость грунта - С под круглым жестким штампом, на который действует сила Б определяется из выражения:
С = (2)
Дх 4
V, 1
гдеу = ^,
V. V - скорость соответственно поперечных и продольных волн; р - плотность грунта.
Учитывая, что допустимый перепад давления
Р
ДР„ = — и соотношение (1), (2) допустимым перепад 'о
давления ДР , создаваемый действием силы Р на круглый штамп радиуса г0, будет равен:
(3)
1000 раз эффективнее, чем пульсирующий шар, Вследствие этого рассматриваемый в данной работе источник упругих волн можно рассматривать как заглубленный осциллирующий шар, для которого при направлении силы Р вертикально вниз смещение продольной волны |х| на расстоянии Р описывается выражением:
¡Р-
1
(4)
Качественное сравнение такого скважинного источника и мощного низкочастотного поверхностного, для которого амплитуда продольной волны в дальней зоне (на глубине Р=й) определяется выражением [6], отличающимся от (4) множителем 0,5
¡Р-
271 ■ р V/- Л
(5)
показывает, что их эффективность сравнима, так как в заглубленном источнике энергия не расходуется на формирование поверхностных волн и, кроме того, он имеет низкую стоимость и автономность работы. На месторождении может быть установлено несколько таких источников.
Протяженную скважину, заполненную жидкостью, можно рассматривать как гидравлическую линию с распределенными параметрами. Уравнения неустановившегося ламинарного движения сжимаемой среды в упругой цилиндрической трубе круглого сечения имеет вид [2]:
дУ 2т,
Э(
ду_
дх ''
рг„ р дх
__1_ЗР
Вщ, с"
(6)
1
1 1
где: -= —+ —
В В Е'
т[1 I
приведенный модуль упругости
трубы;
£' =
2 г„
Для пород средней несущей способности [7] ДР9и„*8-10МПа.
Сейсмическая волна, создаваемая пульсатором в устье скважины, будет действовать как настенки обсадной трубы, так и на дно скважины. При этом будут возникать деформации грунта в радиальном и вертикальном направлении. Следуя [7], будем в первом приближении теоретически представлять деформацию грунта в радиальном направлении как действие источника в виде пульсирующей сферы, а деформацию в вертикальном направлении грунта-как источник в виде осциллирующей вниз сферы.
Сравнительный анализ амплитуд перемещений этих источников, в предположении, что они находятся на значительной глубине, проведенный в [7] показывает, что в низкочастотной области (2-16 Гц) осциллирующий шар излучает продольную волну в 100-
Вщ, - приведенный модуль упругости трубы
т„ - квазистационарное касательное напряжение на
стенке трубы;
Е'С11, - модуль упругости стенки трубы; § - толщина стенки трубы; В - модуль объемной упругости среды; Р, V - соответственно давление и скорость.
Если на входе линии действует устройство, задающее перепад давления АР по гармоническому закону, то уравнения, связывающие скорость V, и перепад давления ДР, в начале линии и У.2, ДР2 в конце линии длиной ( после преобразования по Лапласу уравнения (6) имеют вид [2].
АР2 (Б, () = Л^ (5,0) • сЛ[8(5)• (] - &(5)
»(¿К*
(7)
где: С- длина линии;
Д^(5,0),ДР2(5,£) - изображения по Лапласу перепада
давления в начале и конце линии;
У,(5,0), У2(5, £) - изображения по Лапласу скорости
среды в начале и б конце линии;
V - кинематическая вязкость;
рж - плотность жидкости;
9(5)-операторный коэффициент распространения возмущений, который при гармонических колебаниях среды имеет вид:
Э(кв) = ±(8-не),
где 5 - коэффициент затухания, е - коэффициент фазы;
4P*V
Г0 -^РжДпр у
Будем считать, что необходимый перепад давления в начале линии создается гидравлическим пульсатором.
Известно [2],[3], что в начале длинной гидравлической линии из-за сжимаемости среды расходы жидкости в пульсаторе, установленном в начале линии, могут быть настолько большими, что целесообразность технической реализации пульсатора становится сомнительной. Для того чтобы пульсатор мог эффективно передавать перепад давления ДР до забойной зоны скважины, необходимо найти такие режимы работы, для которых расходы жидкости были бы минимальны и потери перепада давления в конце линии были бы так же минимальны. Предварительную оценку произведем в случае тупиковой линии, для которой можно найти аналитические выражения расходов О, в начале линии и давления в ее конце.
Для этого случая из уравнения (7) получим, заменяя 5 = ко , следующие выражения:
■ I _ л• 10'2 • АР, ■ to ch5,6-10'4 -cosl,4o)
1,41 ■ 106 ■ л/со2 +1,6• 10"7 V ch5,6• 10"4 + cos 1,4<в (ll)
или, учитывая что сЛ^.б-КГ4)» 1 и со2 >>1,6-10"7 .окончательно получим:
я-ДР, 10 l-cosl,4(o
1 1 1,41-10® ^1 + cos 1,4-со
АР, = АР. ■ . , 1
л/О,5(1 + cos 1,4 -со)
(12)
Анализ выражений показывает, что расход |0,| будет минимален, если cos 1,4 • со = 1, при этом АР2 = АР,, т.е. эффективная работа пульсатора будет, если перепад давления будет создаваться на «антирезонансных» частотах, определяемых из (10) (для принятых выше параметров скважины ш =0,71п, п = 1,2,...).
Для определения уточнения амплитудных значений расходов в начале лини и давлений в конце необходимо учитывать влияние нестационарного распределения местных скоростей по сечению потока на касательное напряжение в месте контакта жидкости со стенкой трубы. Это влияние можно учесть при значениях w = со • г02/8 > 300, что соответствует параметрам пульсатора, с помощью корректирующего коэффициента рл = л/Ж/2 [2], вследствие чего для коэффициента 5 будем иметь выражение:
О, (£, ¡со)
,v.\_ n-r02-i-со sh[9(ico)-£]
AP2(£,ia>) =
&H-Bwrj ch[S{i(o) £] 1
ДР,(0,(со)
:Л[Э(/со)^]
ДР, (0, ¡со)
(8)
Для нахождения амплитудных значений |0,(('со)| и [ДР2(ш>)| при гармонических воздействиях ДР,(со) с амплитудой |ДР,| воспользуемся известными выражениями [3].
|сЛ[5(/(ы)- i \ = j0.5(ch(2S-l>))+cos(2e() |s/i[5(ia;) ■£] = J0.5(ch{25e))-cos(2ee)
(9)
После преобразований (8), с учетом (9) и значений S(ico), S, £ получим:
К-Г* |APj| c0
л/рЛ
tл N2 4v
|ДР2| = |ДР;|-
сЫ
0,5
7 +COS 2(3
ch2^ —-( + cos2(0
Г0 V Вшр
(10)
Если принять, например, что ( = 1000м, г0 = 10"'м, рж = 103кг/л13, Вщ, =2-10вПа, V = 10"Ч(2/с, то выражение (10) примет вид:
5 = -
4р,
•Ра
(13)
Для предварительной оценки расхода|0,| в антирезонансном режиме, после разложения функции
,„ 4-у Гр~
сп2■—в ряд и удержания двух первых
го V В™1>
членов, получим:
л-|ДР,|-4-у-ри 1,41
(14)
Оценка величины |0,| для антирезонансного режима при таких же параметрах скважины, что и выше, и при ДР, =10 МПа дает для со„ =62,84 с ' следующее значение: |0,| = 0,85-10"2 мп/с или 510 л/мин.
Если учесть, что глубины скважин много больше 1000 м и то, что при малой расстройке от антирезонансной частоты требуемые расходы пульсатора резко возрастают, то создание пульсаторов с такими расходами представляет определенную техническую трудность и, кроме того, экономически не целесообразно.
Вследствие этого необходимо оценить возможность построения пульсатора для специально пробуренных и обсаженных скважин глубиной 100-200 м, которые изготавливаются мобильными буровыми станками.
Для глубины скважины 200 м и стандартных диаметров обсадных труб 89 мм, 108 мм, 127 мм по выражению (14) построены зависимости минимальных расходов пульсатора в зависимости от частоты (рис. 1).
Из графика на рис. 1 следует, что для обеспечения работы пульсатора в диапазоне частот 5-20 Гц, что соответствует диапазону доминантных частот нефтяных пластов, можно использовать для построения пульсатора насос с расходом 150 л/мин. и давлением
Ql.n/мин
° 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 '".'"«
Рис. 1. График зависимости I О, | от частоты со, где .....J= 200 м, d= 89 мм,----/=200 м, d= 108 мм, -1= 200 м, d= 127 мм.
Ql.n/мин
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
°2 3.8 3.6 7.4 9.2 11 12.8 1 4.6 16 4 18 2 20 ш.Гч Рис. 2. График зависимости I О, | от частоты о (2-20 Гц) на глубине 100 м.
Q1, п?мин
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
3.8 5.6 7.4 9,2 11 12.8 146 16.4 18.2
Рис. 3. График зависимости | О, | от частоты ш (2-20 Гц) на глубине 150 м.
<cl, Гц
QÍ .гУмин
ISO 160 140 120 100 80 60
"2 3.8 5.6 7.4 5.2 II 13.8 14.6 16.4 18.3
Рис. 4. График зависимости | О, I от частоты а (2-20 Гц) на глубине 200 м.
20 tu, Гц
Таблица 1
f дш
100 6.94-7,2 14,01-14,27 -
150 9.34-9,51 14.05-14,23 17 -
200 7,0-17,13 10,54-10,67 14,08-14,2 16
15 МПа (например, серийно выпускаемый шестеренный насос НШ-150).
Для оценки расхода насоса пульсатора при отклонении частоты от антирезонансной по выражению (10) рассчитаны значения |0| для глубин скважины 100, 150, 200 м при диаметре обсадной трубы 89 мм. Результаты расчетов представлены на рис. 2, 3, 4.
Анализ графиков на рис. 2, 3, 4 показывает, что при ограничении расхода насоса в 150 л/мин для глу-
бины скважины 100 м имеется 2 антирезонансные частоты, 150 м — 3 частоты, 200 м — 4 частоты. Значения допустимых отклонений частот Д/от антирезонансных в зависимости от глубины скважины I представлены в таблице 1.
Таким образом, необходимая точность настройки на антирезонансную частоту составляет -0,1 Гц и сравнительно легко обеспечивается системой управления и стабилизации частоты пульсатора.
Необходимо подчеркнуть, что при заданной доминантной частоте / , совпадение ее с антирезонансной частотой длинной гидравлической линии можно достичь выбором глубины скважины в пределах 100-200 м в соответствии с выражением (10).
Таким образом, проведенное исследование показывает, что при глубинах специально подготовленных обсаженных скважин в пределах 100-200 м имеется принципиальная возможность создания гидравлического пульсатора с расходом насоса не более 150 л/мин. для передачи перепада давления 10-15 МПа до забойной зоны скважины на доминантных частотах нефтяного пласта. Линия контакта жидкости с грунтом в этом случае работает как заглубленный источник сейсмических волн, по эффективности соизмеримый с мощным поверхностным источником.
Библиографический список
1. Николаев A.B. и др. Вибропросвечивание Земли./Деп. в ВИНИТИ, №2549-74.
2. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмо-систем. М.: Машиностроение, 1987.
3. Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М,: Машиностроение, 1982 г.
4. Новые технологии и комплексные геофизические методы изучения внутренней структуры и динамики геосфер. Вибрационные технологии. — М.: Региональная общественная организация ученых по проблемам прикладной геофизики, 2002 г.
5. Симонов Б.Ф. и др. Технология вибросейсмического воздействия с земной поверхности для повышения нефтеотдачи пластов. — Нефт. хоэ-во, 1998, №4.
6. Курленя М.В. и др. Об эффективности вибросейсмического воздействия на нефтепродуктивные пласты с дневной поверхности. - ФТПРПИ, 1999, №2.
7. ЧичининИ.С.Вибрационноеизлучениесейсмическихволн. -М: Недра, 1984 г.
БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления» (ОТМиАУ). СОРОКИН Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры ОТМиАУ. КОРНЕЕВ Владимир Сергеевич, аспирант кафедры ОТМиАУ.
уДк"8 48 Е. О. ХЛЫНЦЕВА
Омский государственный аграрный университет
РУСЛОВЫЕ ДЕФОРМАЦИИ В МЕСТАХ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ_
В статье рассматриваются вопросы: влияние деформаций русла реки на экологическую безопасность подводных переходов магистральных трубопроводов, геодезические методы определения русловой деформации, прогнозирование деформаций русла по результатам геодезических съемок разных лет.
На подводных переходах магистральных трубопроводов имеется опасность возникновения аварий. Причины аварий на трубопроводах подробно рассмотрены в работе [9].
Вопрос надежности и экологической безопасности функционирования трубопроводов в последние десятилетия широко обсуждается. Дефицит средств на своевременное проведение обследования текущих изменений (мониторинг) трубопроводных систем, ремонта, отсутствие программы прогнозирования деформаций их состояния и окружающей среды приводит к непредсказуемым последствиям.
Русловые деформации являются объектом многочисленных научных исследований. На протяжении всех рек располагаются города, поселки, которые имеют гидротехнические и другие капитальные сооружения. Река по своему назначению является уникальным и далеко не безопасным природным объектом. Реки - это не каналы, они никогда не текут строго прямолинейно.
На территории Западной Сибири преобладает спокойный рельеф, поэтому реки меандрируют. Необходимо знать направление и возможные деформации речного русла. Все гидротехнические и другие
