Способ дилатансионного торпедирования скважин и торпеда для его осуществления

 

Использование: в области ведения взрывных работ в скважинах. Обеспечивает повышение эффективности взрывных работ за счет дилатансионного разуплотнения горной работы. Сущность изобретения: по способу в интервале продуктивного пласта размещают систему рассредоточенных зарядов взрывчатого вещества (ВВ). Затем их взрывают с замедлением по отношению друг к другу. Время замедления между взрывами соседних ВВ зарядов ВВ определяют по формуле, приведенной в описании. Устройство содержит корпус, в котором размещены заряд ВВ и инициатор взрыва, соединенный с небольшим наконечником. Торпеда имеет опорные элементы и отрезки детонирующего шнура (ДШ). Заряд ВВ рассредоточен между опорными элементами и соединен отрезками ДШ, навитыми по спирали на опорные элементы. Длина отрезков ДШ определена из выражения, приведенного в описании. Длина опорных элементов выполнена минимальной из условия передачи детонации вдоль ДШ на его спиральном участке. 2 с. и. 6 з. п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области ведения взрывных работ в скважинах и может быть использовано преимущественно для возбуждения нефтяных, водяных и газовых скважин, а также для интенсификации начальной стадии размыва при строительстве подземных хранилищ в соляных отложениях методом выщелачивания.

Известен способ торпедирования скважины взрывом фугасной торпеды, размещенной в зоне продуктивного пласта [1] Недостатками известного способа является незначительная эффективность взрывных работ, во-первых, из-за отсутствия зоны дилатансионного разуплотнения при взрыве одиночного заряда ВВ, во-вторых, ограниченные технологические возможности способа из-за ограничения массы торпеды по условиям безопасности скважины.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ интенсификации добычи нефти, включающий вскрытие продуктивного пласта скважиной, размещение в скважине напротив нескальных пропластков зарядов ВВ с пониженными детонационными свойствами, взрывание их в первую очередь и последующее взрывание рассредоточенных зарядов в ультракороткозамедленном режиме в интервалах продуктивных пластов [2] Недостатком известного способа является его многостадийность и трудоемкость, связанная с несколькими спуско-подъемами зарядов. Кроме того, известный способ характеризуется низкой эффективностью взрывных работ, поскольку согласно экспериментальным данным эффективность дилатансионного торпедирования зависит в большей степени от времени замедления между взрывами соседних зарядов, чем от наличия свободных поверхностей в массиве, а также от расстояния до кровли и подошвы пласта. Из описания изобретения не явствует, какими техническими средствами возможна реализация способа. Недостатком конструкции известной скважинной торпеды [1] является низкая эффективность взрывной обработки продуктивного пласта вследствие ограниченных размеров зоны разуплотения горной породы.

Целью изобретения является повышение эффективности взрывных работ за счет дилатансионного разуплотнения горных пород.

Цель достигается тем, что в способе дилатансионного торпедирования скважин, включающем размещение в скважине в интервале продуктивного пласта системы рассредоточенных зарядов ВВ и взрывание их с замедлением по отношению друг к другу, время замедления между взрывами соседних зарядов ВВ определяют по формуле Δ t t_н + (0,3.0,5) t_t, (1) где t_н время нарастания давления во фронте взрывной волны, с; t_н a_н Q^1/3 + b_нr; t_t время действия взрывной волны, с; t_н a_t Q^1/3 + b_нr_i; а_н 2,31 ˙10³ (ρV_p)^-1,21; а_t 5,01˙ 10⁴ ( ρV_р)^-1,3; b_н 7,59 ˙10¹² ( ρ V_р)^-2,36; b_t 1,66 ˙10⁹ ( V_р)^-1,86;
Q масса зарядов взрывчатого вещества, кг;
ρ- плотность породы в продуктивном пласте, кг/м³;
V_р скорость звука в продуктивном пласте, м/с, при этом массу зарядов взрывчатого вещества определяют для условий объемного сжатия горной породы и ее максимальном дилатансионном разуплотнении.

Цель достигается также тем, что торпеда снабжена опорными элементами и отрезками ДШ, а заряд взрывчатого вещества рассредоточен между опорными элементами и соединен отрезками детонирующего шнура, навитыми по спирали на опорных элементах, при этом длина детонирующего шнура определена по формуле
l_дш D/[t_н + (0,3.0,5)t_t] (2) где D скорость детонации детонирующего шнура, м/с;
t_н время нарастания давления во фронте взрывной волны, с.

t_н а_нQ^1/3 + b_нr; t_t a_t Q^1/3 + b_tr_i;
a_н 2,31˙10³ ( ρV_р)^-1,31;
а_t 5,01 ˙10⁴ ( ρV_р)^-1,3;
b_н 7,59 ˙10¹² ( ρV_р)^-2,36;
b_t 1,66˙ 10⁹ ( ρV_р)^-1,86; Q масса взрываемых зарядов ВВ; ρ, V_р плотность и скорость звука в породе, а длина опорных элементов выполнена минимальной из условия, чтобы детонация ДШ в замедлителе передавалась вдоль ДШ без передачи ее от витка к витку. Кроме того, концы ДШ зафиксированы на торцах с помощью эластичных прокладок, на торцах опорных элементов устанавливают эластичные инертные прокладки, а на опорном элементе выполнены канавки для укладки в них ДШ.

Цель достигается также тем, что торпеда снабжена промежуточными боевиком, совмещенным на контакте между детонирующим шнуром и зарядом взрывчатого вещества; первый заряд взрывчатого вещества выполнен с инициатором в виде взрывного патрона, а остальные в виде узлов накольного действия и возможностью срабатывания от гидроударной волны соседнего взрыва. Кроме того, инициатор взрыва установлен у нижнего конца опорных элементов в нижней части устройства.

Способ дилатансионного торпедирования скважин реализуется следующим образом.

Перед производством проектных и взрыво-прострелочных работ определяют диаграмму объемного сжатия горной породы пласта, например, следующим способом. Изготавливают из кернового материала образцы и подвергают их испытанию в камере высокого давления в условиях горного и порового давлений, соответствующих глубине залегания пласта, а также с имитацией взрывного нагружения на экспериментальном стенде. По результатам испытаний определяют диаграммы объемного деформирования породы, а по ним нагрузку (σ₁ осевое и σ₃- боковое напряжение и коэффициент неравномерности ζ= σ₃/σ₁, при которых появляется остаточная объемная (дилатансионная) деформация породы. Зная законы затухания взрывных волн, тем самым определяют необходимые массы зарядов, которые обеспечивают дилатансионное разуплотнение породы пласта.

После этого, используя данные о распространении волн радиального σ_r(t) и тангенциального напряжений σ_Θ (t) при взрывах зарядов химических ВВ или ядерных зарядов в данной горной породе, определяют то время замедления взрывания соседних зарядов, которое обеспечивает максимальное дилатансионное разуплотнение пород за пределами зоны макротрещин. Интервал замедления Δ t выбирают из условия совпадения фазы сжатия в волне напряжения σ_r(t) от второго заряда с фазой сжатия в волне напряжения σ_Θ (t) от первого заряда. При таких условиях суперпозиции волн реализуется максимальная неравномерность объемного напряженного состояния пород в массиве и возникает максимальная по размерам зона дилатансионного разуплотнения. Время замедления находят по формуле
Δ t t_н + (0,3.0,5)t_t, (1) где t_н время нарастания давления во фронте взрывной волны, с;
t_н а_н Q^1/3 + b_нr;
t_t время действия взрывной волны, с;
t_t a_tQ^1/3 + b_tr;
а_н 2,31 ˙10³ ( ρV_p^)-1,21;
a_t 5,01 ˙10⁴ ( ρV_p)^-1,3;
b_н 7,59 ˙10¹² ( ρV_p)^-2,36;
b_t 1,66 ˙10⁹ ( V_p)^-1,86;
Q масса зарядов взрывчатого вещества, кг;
ρ- плотность породы в продуктивном пласте, кг/м³;
V_р скорость звука в продуктивном пласте, м/с.

Для этого определяют в лабораторных или полевых геофизических испытаниях плотность ρ и скорость продольных волн сжатия в горной породе V_р. При отсутствии кернового материала в случае неглубокой (до 1000 м) скважины используют данные о свойствах породы в целом по пласту.

На фиг. 1-4 показано устройство для осуществления способа.

Интервал замедления Δt, определенный с использованием экспериментальных законов распространения волн, рассчитанный по формуле (1), технически осуществляют различными способами. Например, в систему рассредоточенных зарядов 3, размещаемую в скважине, вводят опорные элементы 6, на которые навивают отрезки ДШ 7, длину которых определяют по формуле (2) (фиг.1). Высоту опорных элементов 6 берут минимальной, но при условии, что детонация ДШ будет осуществляться вдоль него, а не от витка к витку. Диаметр опорных элементов 6 также выбирают из этих соображений, т.е. максимально допустимых размеров. Для уменьшения расстояния между соседними витками ДШ 7 в замедлителе при обработке маломощных пластов его размещают в инертный материал гаситель. Наиболее подходящим для этих целей является мелкодисперсный песок, которым заполняют промежутки между зарядами 3.

По другому способу в одной из секций торпеды устанавливают электродетонатор, а в остальных детонаторы накольного действия, которые используются, например, в перфораторах кумулятивного действия, спускаемых в скважину на насосно-компрессорных трубах. Детонацию соседнего заряда возбуждают путем воздействия на детонатор накольного действия гидроударной волной, при этом время замедления Δt обеспечивают за счет подбора свойств скважинной жидкости и расстояния между зарядами l: Δ t l/D_у. Скорость гидроударной волны в скважинной жидкости D_у определяют опытным путем, или используют справочные данные. Наконец, можно осуществить режим взрывания системы зарядов с замедлением Δ t, установив в каждом заряде ВВ индивидуальный взрывной патрон, а инициирующие сигналы подавать с требуемым интервалом Δ t на каждый инициатор с помощью радиэлектронного устройства.

Перед торпедированием закрытых стволов скважин и открытых стволов в случае малопрочных пород осуществляют перфорацию скважины в интервале продуктивного пласта. Если прострелочные работы проводились раньше, то перфорацию не производят.

После выполнения перечисленных выше операций систему зарядов 3 cпускают на кабеле 13 в зону продуктивного пласта 14 и взрывают, инициируя взрыв одного из зарядов ВВ.

Экспериментальные взрывы, проведенные в водяных, нефтяных и специальных геотехнологических скважинах, показали, что именно соблюдение описанных условий максимально возможное сближение соседних зарядов и ультракороткое замедление, определяемое из условия суперпозиции волн по формуле (1), дает максимальный эффект дилатансионного разуплотнения пород (появление дополнительной микротрещиноватости и микропористости) за пределами зоны радиальных трещин (r_тр).

В таблице приведены данные по увеличению дебитов нефтяных и водяных скважин и по увеличению приемистости поглощающих скважин, полученные на объектах нефтегазодобывающих, сельскохозяйственных и геологических предприятий России, Украины и других республик.

В таблице приняты следующие обозначения: Δ t_i/ Δt отношение времени замедления между взрывами зарядов ко времени, определенному по формуле (1); Q₊/Q_+o отношение дебитов нефтяных и водяных скважин после и до обработки; Q_-/Q_-o отношение приемистости водонагнетательных и поглощающих скважин после и до обработки.

Диапазон значений 0,3-0,5 в формуле (1) выбран с учетом того, что t_t время действия взрывной волны намного больше величины t_н (t₊ >> t_н) времени нарастания давления на фронте взрывной волны и с учетом экспериментальных результатов торпедирования различных скважин.

Для реализации способа дилатансионного торпедирования скважин могут быть использованы скважинные торпеды различных конструкций, две из которых приведены на фиг.2 и 3. Общими элементами обеих торпед являются кабельный наконечник 1, корпус 2 с размещенными в нем зарядами ВВ 3 и инициаторами 12 взрыва, эластичная прокладка 4, стержневые или трубчатые опорные элементы 6, детонирующий шнур 7 и фиксаторы ДШ на опорных элементах 8, электропровода 15. Корпус торпеды выполнен сплошным (фиг.2) или несплошным (фиг.3). Отдельные секции корпуса соединены переходниками 5 (фиг.2) или (фиг.3) закрыты торцовыми заглушками 5 с винтами 9. Толщина эластичных прокладок 4 такова, чтобы концы ДШ были надежно прижаты к торцам шашек 3. Для повышения надежности передачи детонации на контакте ДШ 7 и заряда ВВ 3 сформирован промежуточный боевик из ДШ 7 в виде плоского кольцевого или сосредоточенного заряда 15 (фиг. 2,3). На торцах опорных элементов 6 в конструкции, показанной на фиг. 2, размещены дополнительные эластичные прокладки 9 для предотвращения искрения при сборке и спуске торпеды в скважину. Нижняя секция торпеды 10 соединена с наконечником обтекаемой формы 11. На опорных элементах 6 нанесены канавки для укладки и фиксации детонирующего шнура на опорном элементе. Инициатор 12 взрыва размещен в нижней или, по крайней мере, в промежуточной секции торпеды у нижнего торца опорного элемента. Размещение инициатора взрыва 12 в верхней части торпеды может привести к обрыву детонационной цепи и нижней части торпеды и неполному ее срабатыванию.

Процесс взрыва скважинной торпеды протекает следующим образом. При инициировании в нижней шашки ВВ 3 детонации передается на спиралевидный замедлитель из ДШ 7, через него на следующую шашку и т.д. до полного срабатывания торпеды. Полнота срабатывания торпеды контролируется звуковым эффектом или инструментальными методами. При взрыве торпеды и сложении запаздывающих по отношению друг к другу взрывных волн в пласте возникает напряженное состояние, близкое к сдвиговому, в результате чего происходит объемное разуплотнение породы, и за пределами зоны макротрещин (r_тр) появляется зона повышенной дилатансионной проницаемости с размерами (r_р), зависящими в основном от массы заряда и интервала замедления между взрывами соседних зарядов (фиг. 1).

Пример конкретной реализации способа.

Нефтяная скважина была введена в эксплуатацию в 1976 г. Диаметр эксплуатационной колонны в скважине 130 мм. Отметка кровли продуктивного пласта 2544,2 м. Мощность продуктивного пласта примерно 10 м. В нижней части скважина имеет открытый ствол. Величина пластового давления 280 МПа, температура около 80^оС. Вмещающая порода песчаник характеризуется следующими параметрами: ρ= 2,6 ˙10³ кг/м³, V_р 4615 м/с. Необходимо для разуплотнения пород в массиве r ≅r_p массу отдельного заряда (2,9 кг) определим с помощью кривой объемного деформирования образца породы при неравномерном динамическом сжатии с учетом закона затухания волн напряжения σ_r(r) k(r/r₃) μ k, μ- постоянные затухания для данного породного массива, значения которых взяты в справочной литературе (k 1,1 ˙10¹⁰ Па, μ 1,53). Исследования кернового материала показали также, что наиболее ощутимый эффект дилатансионного разуплотнения наблюдается при ζ σ₃/σ₁≅ 0,1. На момент торпедирования скважина была заглушена раствором хлористого кальция с удельным весом γ 1,3 г/см³ и простреляна в интервале продуктивного пласта ленточным перфоратором ПКС-80.

Скважину торпедировали за два спускоподъема двумя торпедами, состоящими из трех зарядов массой 2,9 кг каждый. Заряды ВВ (шашки, гексогена из комплекта торпеды ТШ-84) помещали в тонкие алюминиевые корпуса диаметром 100 мм. Между зарядами вводили опорные элементы из алюминиевых трубок меньшего диаметра (50 мм) длиной 0,6 м, на которых укладывали детонирующий шнур. На торцах шашек формировали плоские боевики из ДШ. Расчет длины отрезков ДШ в замедлителях определяли по формуле (2). Расчетное расстояние принимали равным расчетному значению эффективного радиуса скважины из условия двухкратного увеличения дебита скважины r_э r_p 3 м. Значение коэффициентов а_н; b_н; a_t; b_t:
а_н 2,31˙10³ (12˙ 10⁶)^-1,21
6,28 ˙10^-5 с/кг^1/3;
b_н 7,59 ˙10¹² (12˙ 10⁶)^-2,36
0,149 ˙10^-4 с/м;
а_t 5,01 ˙10⁴ (12 ˙10⁶)^-1,3 3,14 ˙10^-5 с/кг^1/3;
b_t 1,66˙10⁹ (12 ˙10⁶)^-1,86
1,12˙ 10^-4 с/м.

t_н 6,28 ˙10^-6 ˙2,99+ 0,149˙ 10^-4 ˙3
(9 + 44,7) ˙10^-6 53,7 ˙10^-6 с.

t_t 3,14 ˙10^-5 ˙2,9 + 1,12˙ 10^-4 ˙ 3
(44,9 + 336) ˙10^-6 380,9˙ 10^-6 с.

Откуда l_ДШ 7000 (53,7 ˙10^-6 +
+ 0,4˙ 380,9 ˙10^-6) 7000˙ 206,1˙10^-6
1,44 м.

Отрезки ДШ такой длины навивались на опорный трубчатый элемент длиной 0,6 м. Инициирование торпед осуществлялось снизу детонатором ПГ-170.

После освоения и вывода в эксплуатационный режим дебит скважины составлял 33,2 т/сут.

Техническим преимуществом способа дилатансионного торпедирования скважин, по сравнению с известными методами повышения проницаемости призабойных зон скважин, наряду с простотой и оперативностью является возможность объемного необратимого разуплотнения породы продуктивного пласта, увеличение проницаемости за пределами зоны радиальных трещин в 2-3 раза и возможность тем самым увеличивать эффективный радиус скважины до нескольких метров.

Формула изобретения

1. Способ дилатансионного торпедирования скважин, включающий размещение в скважине в интервале продуктивного пласта рассредоточенных зарядов взрывчатого вещества и взрывание их с замедлением по отношению друг к другу, отличающийся тем, что время Δt замедления между взрывами соседних зарядов взрывчатого вещества определяют по формуле
Δt = t_н+(0,3...0,5)t_t,
где t_н время нарастания давления во фронте взрывной волны, с,
t_н a_н · Q^1/3 + b_н · r,
t_t время действия взрывной волны, с,
t_t a_н · Q^1/3 + b_t · r
a_н= 2,31·10³(ρ·V_p)^-1,21;
a_t= 5,01·10⁴(ρ·V_p)^-1,3;
b_н= 7,59·10¹²(ρ·V_p)^-2,36;
b_t= 1,66·10⁹(ρ·V_p)^-1,86;
Q масса зарядов взрывчатого вещества, кг;
ρ плотность породы в продуктивном пласте, кг/м³;
V_р скорость звука в продуктивном пласте, м/с,
при этом массу заряда взрывчатого вещества определяют для условий объемного сжатия горной породы и ее максимальном дилатансионном разуплотнении.

2. Торпеда для дилатансионного торпедирования скважин, включающая корпус с размещенным в нем зарядом взрывчатого вещества и инициатором взрыва, соединенным с кабельным наконечником, отличающаяся тем, что она снабжена опорными элементами и отрезками детонирующего шнура, а заряд взрывчатого вещества рассредоточен между опорными элементами и соединен отрезками детонирующего шнура, навитыми по спирали на опорных элементах, при этом длина l_дш отрезков детонирующего шнура определена из выражения
l_дш D[t_н + (0,3 0,5)t_t]
где D скорость детонации детонирующего шнура, м/с;
t_н время нарастания давления во фронте взрывной волны, с,
t_н a_н · Q^1/3 + b_н · r;
t_t время действия взрывной волны, с,
t_t a_t · Q^1/3 + b_t · r;
a_н= 2,31·10³(ρ·V_p)^-1,21;
a_t= 5,01·10⁴(ρ·V_p)^-1,3;
b_н= 7,59·10¹²(ρ·V_p)^-2,36;
b_t= 1,66·10⁹(ρ·V_p)^-1,86;
Q масса зарядов взрывчатого вещества, кг;
ρ плотность породы в продуктивном пласте, кг/м³;
V_р скорость звука в продуктивном пласте, м/с,
а длина опорных элементов выполнена минимальной из условия передачи детонации вдоль детонирующего шнура на его спиральном участке.

3. Торпеда по п.2, отличающаяся тем, что детонирующий шнур на конце выполнен с эластичной прокладкой, фиксирующей детонирующий шнур в заряде взрывчатого вещества.

4. Торпеда по п.2, отличающаяся тем, что опорные элементы на торцах выполнены с эластичными инертными прокладками.

5. Торпеда по п.2, отличающаяся тем, что опорные элементы выполнены с канавками под детонирующий шнур.

6. Торпеда по п. 2, отличающаяся тем, что она снабжена промежуточным боевиком, совмещенным на контакте между детонирующим шнуром и зарядом взрывчатого вещества.

7. Торпеда по п.2, отличающаяся тем, что первый заряд взрывчатого вещества выполнен с инициатором в виде взрывного патрона, а остальные заряды взрывчатого вещества выполнены с инициатором взрыва в виде узлов накольного действия и возможностью срабатывания от гидроударной волны соседнего взрыва.

8. Торпеда по п.2, отличающаяся тем, что инициатор взрыва установлен у нижнего конца опорных элементов в нижней части устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5