ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Технология получения глубинных источников колебаний глубинным сейсмическим торпедированием»

Рекомендуемая область пременения

Технология скважинной сейсморазведки по методу глубинного сейсмического торпедирования может применяться в нефтяной отрасли промышленности, для оперативного уточнения разбуриваемых участков нефтяных месторождений.

Назначение, цели и задачи проекта

Цель проекта – разработка, изучение и развитие технологии обеспечивающей изучение околоскваженного пространства на значительном удалении от скважины, с использованием взрывных источников колебания.

Рис. 1. Обзорная тектоническая схема и размещение исследованных ГСТ скважин

Тенденции развития нефтяной геологии свидетельствуют о том, что основным объектом изучения становятся малоразмерные, зачастую сложно построенные локальные структуры, часто залегающие на больших глубинах. Вместе с тем возрастает потребность в широком вовлечении в геолого-разведочный поисковый процесс новых нетрадиционных геологических форм: неантиклинальных ловушек, тектонических нарушений — грабенов, горстов, небольших рифовых тел.

Подготовка такого типа объектов к глубокому бурению показывает, что по целому ряду причин они могут быть недостаточно эффективны. В этих случаях значительный объем дорогостоящего разведочного бурения приходится непроизводительно затрачивать на детализацию геологического строения и уточнение построений, выполненных, например, по данным сейсморазведки. Это снижает темпы работ и делает дороже открытие и подготовку к бурению (разработке) нефтегазовых месторождений, уменьшает эффективность всего геолого-разведочного процесса. Поэтому возникает потребность в разработке методов детальных сейсмических исследований, оперативно сопровождающих бурение и корректирующих данные, используемые при проходке и размещении скважин по площади.

В сложившихся условиях есть необходимость в разработке такой модификации сейсморазведки, которая может использоваться вместе с глубоким бурением для детализации геологического строения разбуриваемых объектов.

Одним из приоритетных методов сейсморазведки на поисково-разведочном этапе стал метод вертикального сейсмического профилирования, эффективность которого обусловлена переносом приема колебаний с земной поверхности внутрь среды с размещением сейсмоприемников по профилю в глубокой скважине.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

На базе технологии вертикального сейсмического профилирования разработаны несколько способов скважинной сейсморазведки, основанные на регистрации упругих колебаний во внутренних точках среды по стволу глубокой скважины и возбуждении колебаний на земной поверхности. Эти способы с успехом применяются для изучения среды вокруг скважин, что позволяет более рационально разместить глубокие скважины по площади и уменьшить число непроизводительных. Но при их использовании выявились ограничения, существенно сужающие область применения и снижающие эффективность.

Одной из главных причин ограниченного применения способов скважинной сейсморазведки являются большие сроки задействования скважин под сейсмические работы, особенно в районах с неблагоприятными поверхностными условиями для возбуждения упругих колебаний наземными источниками. С учетом современной тенденции развития технологии глубокого бурения в направлении увеличения скорости проходки и сокращения времени строительства долговременное задействование скважин под геофизические исследования затруднительно, а подчас и невозможно. При практической реализации большеобъемных схем сбора данных необходимо создание более оперативных методов сейсморазведки, позволяющих получить запись волн с более высокой частотой и уровнем сигнал-помеха. На площадях со сложным строением приповерхностных отложений, с выходами на земную поверхность карбонатных закарстованных, трещиноватых пород размещение зарядов взрывчатых веществ в мелких скважинах или использование невзрывных источников часто не дают положительного эффекта. Взрыв заряда взрывчатых веществ в неоднородной части верхняя часть разреза не является абсолютно благоприятным источником для возбуждения первичного импульса, способного не снижать положительный эффект приема внутри среды на вертикальном профиле. Другими словами, эффективность наблюдений вертикальное сейсмическое профилирование не достигает своего пика из-за недостатков в свойствах существующих источников. Таким образом, в сейсморазведке желательна в целом ревизия условий взрыва относительно условий приема, присущих вертикальное сейсмическое профилирование.

В перечень причин, сужающих область применения скважинной сейсморазведки технологии вертикальное сейсмическое профилирование, можно внести следующие неблагоприятные внутри-скважинные геолого-технические условия приема: движение пластовой воды по вертикали в скважине, не позволяющее из-за создаваемого им большого фона микросейсм регистрировать полезные волны; каверны в открытом стволе скважины и участки незацементированного затрубного пространства в обсадной колонне, невосполнимо снижающие качество первичного материала. В целом применение глубоких скважин с открытым стволом, особенно в разрезах с терригенными породами, малоблагоприятно для приема колебаний. В то же время до спуска технической или эксплуатационной колонны сейсмические данные по уточнению геологического строения околоскважинного пространства могут быть наиболее эффективными, так как в отсутствие ожидаемых нефтепроявлений во вскрытом разрезе задача последующего изучения разведочной площади глубоким бурением становится особенно трудной и неоднозначной. В практике нефтепоисковых работ в Прикамье скважин, ликвидируемых без спуска обсадной колонны, обычно намного больше, чем действующих с колонной.

Таким образом, использование скважинных наблюдений только с одним видом работ в скважинах - приемом колебаний внутри среды, является односторонним подходом к развитию методики сейсморазведки.

Благодаря разработанной технологии получения глубинных источников колебаний в открытом стволе скважины оказалось возможным вовлечение большого числа поисковых и разведочных скважин в геологические исследования по новой методике. По сравнению с известными разведочными модификациями достигнута высокая оперативность околоскважинных работ с минимальным временем задействования скважин и максимальным объемом получаемой информации. Волновые поля, возбуждаемых глубинным источником, позволяют вовлечь в исследования районы с неблагоприятными поверхностными условиями возбуждения и тем самым расширить область применения скважинной сейсморазведки.

Разработанная технология получена по результатам эксперементных исследований под руководством д.т.н. профессора кафедры геофизики Пермского государственного университета, генерального директора «Института РОСТЭК» Валерия Аркадьевича Силаева. Исследовано более 100 нефтяных скважин в Прикамье и других регионов России.

Полученные результаты позволяют расширить области применения и повышения эффективности скважинных сейсмических наблюдений, получить новые дополнительные элементы в строении нефти месторождений, т.к. именно взрывные источники колебаний, которые единственные обеспечивают изучение околоскважинного пространства на значительном удалении от скважины.

Результаты многочисленных и уникальных экспериментов записаны на магнитные носители и могут быть представлены для дальнейшего анализа нефтяникам, геофизикам, геологам, а так же сотрудникам академической и прикладной науки, преподавателям и студентам вузов.

Технология ГСТ внедряется в практику изучения нефтеперспективных объектов России.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Для успешной регистрации упругих колебаний по профилю внутри среды необходимо создать плотный контакт сейсмоприемников с вмещающей горной породой. С этой целью сконструированы специальные прижимные устройства, которые отличаются по своей форме, силе прижима, управлению с поверхности земли, например, прижимы рессорного типа для работы в обсадной колонне.

В условиях неустойчивой терригенной верхней части разреза для сцепления сейсмоприемников с вмещающей горной породой применяют контактные смеси, включающие песок, шлам, которые засыпаются в скважину после размещения в ней гирлянды приборов. В качестве контактной смеси использован цементный раствор, который затвердевает после погружения в него сейсмоприемников. Данные работы получили название "стационарный вертикальный сейсмический профиль".

Стационарный вертикальный сейсмический профиль дает возможность получить материал более высокого качества в районах с разрезами, представленными резко дифференцированными по плотности горными породами, и в скважинах с перетоком воды, движение которой вдоль ствола создает значительный фон высокочастотных микросейсм, а также при мониторинге за геофизическими параметрами нефтяных месторождений.

Технологические условия наблюдений по технологии вертикального сейсмического профилирования (ВСП) предусматривают создание непрерывного профиля приема по всему стволу скважины. При отработке различных модификаций ВСП для регистрации колебаний задействован обычно один заданный интервал глубин. Однако во всех случаях желательно сократить время использования скважины под геофизические работы и улучшить условия корреляции волн по вертикали путем увеличения количества сейсмоприемников в скважинном зонде.

Увеличить канальность сейсмоприемников с прижимными устройствами в скважинном зонде можно двумя способами. Первый способ заключается в увеличении количества токопроводящих жил в кабеле, на котором опускается зонд в скважину и через который осуществляется прямая передача сигнала на поверхность. Второй - в электронном уплотнении каналов связи. В этом случае появляется возможность максимального использования каждой жилы соединительных кабелей. Однако существует опасность получения искажений за счет модуляции сигнала. В настоящее время в основном применяется прямой шестиканальный прием упругих колебаний.

В наземно-скважинных наблюдениях ВСП заряд ВВ ограниченной длины размещается в мелкой скважине в оптимальных условиях ниже 3МС.

В сложных сейсмогеологических условиях такие скважины могут оборудоваться дополнительными средствами (обсадная колонна), обеспечивающими их многоразовое использование для размещения зарядов ВВ. При отсутствии водной укупорки для производства взрывов приходится прибегать к сложным и трудоемким процедурам, например, применению забоек из твердых материалов. При опытных взрывах в трещиноватых породах в скважинах с полным уходом жидкости для забойки заряда взрывного вещества применяется затвердевающая компаундная смесь, состоящая из песка и цемента. Такая мера значительно повышает качество записи, но из-за трудоемкости ограничивает развитие сейсмических наблюдений в труднодоступной местности.

Модель скважинного сложного излучателя

В экспериментах со взрывами в глубоких скважинах в основном использован точечный заряд ВВ весом 1-8 кг. Доказано, что такой взрыв формирует в основном сферическую область разрушенных пород, радиус которой намного меньше и зависит от первоначального радиуса скважины. В отличие от наземной сейсморазведки, где используются большие заряды ВВ, радиус взрывной полости которых равен и более радиуса взрывных мелких скважин, в глубинном сейсмоторпедировании использованные заряды ВВ классифицированы как малые заряды, создающие импульс давления, действующий на коротком отрезке скважины.

Но глубокая скважина с обсадной колонной, перекрывающей верхнюю часть разреза, является сложным сооружением, поэтому при взрыве в ней энергия ударных волн передается от источника по столбу жидкости и вмещающим породам к элементам ее конструкции, инициирует дополнительные источники колебания. Одновременно взрыв заряда ВВ малого диаметра в буровой жидкости, подобно колебанию монополя в море, сопровождается пульсацией продуктов газового пузыря и тиражированием первичного и других импульсов колебаний в источнике и дальней зоне. Поэтому взрыв малого заряда ограниченной длины, погруженного ниже верхней части разреза, превращает всю скважину в один сложный излучатель нескольких первичных относительно изучаемой околоскважинной среды волн.

Рис. 2. Модель и траектории первичных волн скважинного излучателя

На рис. 2 приведена модель и траектории первичных волн скважинного излучателя в окружающее пространство. Модель содержит собственно источник колебаний 1, столб буровой жидкости 2, поверхность столба жидкости 3, стенки скважины из горной породы 4, забой скважины 7, обсадную колонну 5, земную поверхность 18.

При подводном взрыве малых зарядов создается импульс давления, действующий на коротком отрезке скважины, но первичная ударная волна более пятой части своей энергии расходует на образование ударной волны по столбу жидкости 8, которая характеризуется высоким давлением во фронте и благодаря незначительным потерям энергии из-за волноводного распространения в скважине и малой сжимаемости жидкости сохраняет значительные давления и импульс на больших расстояниях от места взрыва. Расчеты избыточного давления DР = f (r заряда / R) по кривым давления Р = f(R) на показывают, что величина DР на удалении 150-200 м от источника равна 180-190 кг/см². Период ? существования данного давления в волне сжатия, распространяющейся в столбе буровой жидкости, принят равным 0,0015 с. Даже при значительных удалениях от источника величины удельного импульса  ударной плоской волны достаточно, чтобы при взаимодействии с элементами скважины от них образовались интенсивные (сферические) дифрагированные волны. На рис. 2 такие волны образуются от забоя скважины 7, нижнего конца и других частей обсадной колонны 5. Особое место занимает выхлоп ударной волны в атмосферу на поверхность столба буровой жидкости. При этом в открытом конце трубы образуется звуковая волна 10 и от взаимодействия ударной волны со стенками скважины, верхним концом колонны — поверхностные волны 18. Кроме рассмотренных дифрагирующих объектов в скважине могут находиться и другие элементы ее конструкции (цементный мост, места сужений и т.д.), которые препятствуют распространению ударных волн и превращаются в источники дифрагированных волн.

При отождествлении механизма передачи энергии в стволе скважины с волноводными процессами использованы результаты работ. В то же время результаты исследований измерений давления ударной волны в скважине показывают, что характер поведения кривых Р = f(R) может свидетельствовать о более сложных зависимостях передачи энергии. В частности, интенсивное изменение Р в начальной части кривой отождествлено с процессами, происходящими в узких трубах, а уже затем участок с линейным изменением давления — с волноводным распространением ударной волны. Дальнейшие экспериментальные исследования в различных скважинах уточнят указанные представления.

Первичная ударная волна передает часть своей энергии окружающей заряд горной породе, в которой образуется первичная продольная упругая волна 11. При нормальном падении на стенки скважин против заряда часть энергии отражается от стенки, возвращается к точке взрыва волной сжатия и, встречая падающую волну от источника, усиливает последнюю, образуя волну-спутник 12. Процесс образования волны-спутника является колебательным, может повторяться несколько раз, осциллируя в горизонтальной плоскости.

Кроме того, ударная волна при небольшом удалении от источника, где еще сохраняется большая величина ее давления, распространяясь вдоль ствола скважины, от каждого короткого отрезка может излучать объемные волны. При суммировании их с первоначальным импульсом образуется сложное колебание, форма которого обусловлена продуцированной скважиной, дополнительной характеристикой направленности, аналогичной направленности интерференционной системы.

При увеличении угла падения ударной волны на стенку скважины усиливается тангенциальная составляющая возмущения упругой среды и образуется поперечная волна 13. Такой источник, по И. С. Чичинину, называется боковым пульсатором. Результаты его сопоставления с источником Хилена показали, что подобно цилиндрическому излучателю вместе с продольной он будет излучать и S-волну. При очень косом падении ударных волн из водной среды на поверхность стенок скважины, сложенной твердой горной породой, образуется преломленная головная (возможно, неоднородная) волна 14, которая распространяется в среде вблизи них. Энергия этой волны, по-видимому, подпитывается кратными ударными волнами 17, отраженными от стенок скважины и распространяющимися внутри ствола. От взаимодействия преломленной волны 14 и прямой волны 11 с забоем скважины и устьем скважины образуются еще источники дифрагированных волн 17, 19.

Механизм волнообразования от взрыва в скважине усложняется тем, что он проходит в воде на больших глубинах. В этих условиях взрыв сопровождается образованием газового пузыря, который не может прорваться сразу в атмосферу и совершает несколько пульсаций. Согласно около 40-45% начальной энергии подводного взрыва в море остается на создание движения газового пузыря в течение его первого колебания. В скважине отраженная волна сжатия от стенок по горизонтали, двигаясь навстречу расширяющимся продуктам взрыва, препятствует расширению газового пузыря и в итоге образованию источников колебаний. Поэтому можно ожидать, что первичный источник очага по горизонтали пульсирует слабо и это явление усиливается лишь при увеличении радиуса газовой полости относительно всей эквивалентной полости дробления для зарядов ВВ с малым диаметром или низким акустическим КПД на больших глубинах. По вертикали вдоль столба жидкости в скважине расширение газового пузыря не имеет препятствий, а отраженные волны сжатия от стенок только способствуют этому процессу. Поэтому первичный источник по вертикали может образовать несколько волн пульсации газового пузыря. Выделены несколько первичных волн 11, обусловленных пульсацией газового пузыря по горизонтали от взрыва заряда малого веса при большом гидростатическом давлении Р_г, и несколько дифрагированных волн 17, связанных с пульсацией газового пузыря по вертикали. На рис. 3, а представлены графики изменения периода от номера пульсации по горизонтали - 1 и вертикали - 2. Полученные результаты свидетельствуют, что по горизонтали с ростом номера пульсации ее период возрастает и обусловлен, по-видимому, приращением величины радиуса газовой полости за счет увеличения диаметра скважины при появлении в стенках взрывных каверн дробления. По величине приращения периода пульсации можно судить об изменениях в зоне дробления в результате повторных воздействий ударных волн пульсации газового пузыря и уровне энергии в них. Увеличение радиуса полости дробления происходит в основном после первой и очень незначительно после второй пульсации, т.к. период третьей пульсации практически равен предыдущей. Данный вывод подтверждает энергетические оценки Коулла, согласно которым после излучения первой ударной волны в продуктах детонации остается 41% энергии взрыва, после первой пульсации и излучения волны сжатия – 17 % и после второй пульсации - 7,6 %. Поэтому учитываются только первая и вторая.

Рис. 3. Изучение пульсации газового пузыря:

а - графики изменения периода от номера пульсации по горизонтали 1 и вертикали 2;

б — график изменения периода первой пульсации по вертикали от глубины взрыва

При вертикальной пульсации газового пузыря величины периодов первой и второй пульсаций значительно больше соответствующих периодов горизонтальной пульсации, что обусловлено разницей в величинах радиусов газовой полости во взаимно перпендикулярных направлениях. Отмечено убывание периода с ростом частоты пульсации, что не противоречит данным теории возбуждения зарядов ВВ в воде. Расчеты акустического КПД излучателя, без учета эффектов всплытия вблизи жестких граничных поверхностей и влияния их на период газового пузыря, проведены по формуле [10] ? = I - (T₂/T₁)³. Величина ? равна 0,66, что сопоставимо с акустическим КПД (в %) взрыва в воде заряда тротила массой 255-350 г. В рассмотренных экспериментах величина заряда ВВ составила 520 г.

На рис. 3б также представлена кривая Т = f(H), характеризующая изменение периода первой вертикальной пульсации с глубиной. В примере величина гидростатического давления Р_г менялась от 50 до 140 кг/см². С ростом глубины взрыва и величины давления период пульсации уменьшается от 0,900 с до 0,740с с градиентом изменения периода Т₂ примерно 0,002 с на 1 кг/см², что не противоречит теории возбуждения акустических сигналов в воде.

Таким образом, взрыв малого заряда ВВ в глубокой скважине, заполненной жидкостью с малым удельным весом, близким к удельному весу воды, можно представить в виде совокупного излучателя, совмещающего черты источника, помещенного в воду и в упругую среду, - глубинного источника колебаний. В начальной стадии, до момента выхода ударной волны газовой полости на стенки скважины, — это пульсирующий асимметричный монополь, а затем в процессе образования взрывной каверны — это сферический излучатель, действие которого из-за влияния стенок скважины и анизотропии вмещающих пород близко к модели цилиндрического источника. В зависимости от глубины размещения заряда превалируют черты источника смешанного промежуточного типа. По мере роста величины гидростатического давления в буровой жидкости (Pgh) уменьшается вертикальная и растет относительная энергия горизонтальной пульсации и источник становится больше подводным и, наоборот, с уменьшением противодавления увеличивается излучение волн сжатия, характеризующих подземный взрыв.

Глубинный источник колебаний является своеобразным высокочастотным типом скважинного излучателя, который генерирует продольные и поперечные колебания. Кроме того, пульсирующий первичный источник ударных волн при взаимодействии с элементами скважины в дальней зоне - забоем, поверхностью столба жидкости, обсадной колонной - создает еще несколько источников дифрагированных колебаний, которые разделены во времени и распределены по глубине всей скважины. Весь этот перечень отдельных источников составляет один сложный глубинный излучатель колебаний. Каждый источник отличается от других по параметрам и образует отдельные типы волн-помех. В получении вторичных волн от границ раздела излучаемой среды участвует только очаговый источник первичной ударной волны.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Новый вид сейсмических работ в скважинах – глубинное сейсмическое торпедирование позволяет значительно расширить область применения и повысить эффективность скважинных методов сейсморазведки, используемых при решении комплекса геолого-геофизических задач в процессе поисков, разведки и детального изучения нефтеперспективных объектов глубоким бурением. Разработанная методика применения зарядов ВВ и полученные данные об их действии в специфических условиях открытого ствола глубоких скважин обеспечивает многократное проведение взрывов на образующих необратимых разрушения, а так же необходимую сохранность стенок.  

Экономический эффект составляет десятки миллионов рублей. 

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Все возрастающая потребность в широком вовлечении в геолого-разведочный процесс новых нетрадиционных геологических форм: неантиклинальных ловушек, тектонических нарушений – грабенов, горстов, небольших рифовых тел, связана с тем, что основным объектом изучения становятся малоразмерные, сложно построенные локальные структуры, залегающие на больших глубинах.

Подготовка такого типа объектов к глубокому бурению показывает, что по целому ряду причин они могут быть неэффективны, т.к. значительный объем дорогостоящего разведочного бурения приходится непосредственно затрачивать на детализацию геологического строения и уничтожения построений, выполненных по данным сейсморазведки. Это снижает темпы работ и делает дороже открытие и подготовку к разработке нефтегазовых месторождений, снижает эффективность всего геологоразведочного процесса. Поэтому возникает потребность в разработке методов детальных сейсмических исследований, оперативно сопровождающих бурение и корректирующих данных, используемые при проходке и размещении скважин по площади.

В последнее время одним из приоритетных методов сейсморазведки на поисково-разведочном этапе стал метод вертикального сейсмического профилирования, эффективность которого обусловлена переносом приема колебаний с земной поверхности внутрь среды с размещением сейсмоприемников по профилю в глубокой скважине.

Благодаря разработанной технологии получения глубинных источников колебаний в открытом стволе скважины оказалось возможным вовлечение большого числа поисковых и разведочных скважин в геологическом исследовании по новой методике.

Новые потребительские свойства продукции

- позволяет расширить область применения скваженных методов сейсморазведки;
- повысить эффективность для оперативного и высокоинформативного сбора данных и решить комплек геолого-геофизических задач в процессе поиска, разведки и детального изучения нефтеперспективных объектов глубоким бурением;
- вовлечение большего числа поисковых и разведочных скважин;
- повышение оперативности околоскваженных работ с минимальным временем задействования скважин;
- появилась возможность применения пространственных схем сбора данных.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Возможность исследования формы взрывного импульса при работах ВСП позволяет в благоприятных условиях повышать частоту записи, добиваясь реализации принципов сейсморазведки высокого разрешения. Однако обяза¬тельное размещение заряда в мелкой скважине среди неоднородности и вблизи границ ВЧР не исключает образования интенсивного фона кратных падающих волн, осложняющих запись полезных волн. Возбуждение упругих волн в не¬благоприятных поверхностных условиях резко снижает эффективность наземно-скважинной сейсмики с глубинным приемом колебаний.
Размещение сейсмоприемников внутри среды среди плотных пород со¬здает предпосылки для повышения частоты записи. Однако в неблагоприятных условиях отсутствие достаточно плотного контакта с вмещающими породами снижает эффективность данного приема, а из-за повышенного фона микросейсм делает его невозможным.

Стадия и уровень разработки

Получены результаты применения метода глубинного сейсмического торпедирования более чем в сто глубоких скважинах. Результаты уникальных экспериментов хранятся на магнитных носителях и могут быть представлены для дальнейшего анализа

Предлагаемые инвестиции

15 млн. руб.

Рынки сбыта

Различные нефтегазоперспективные районы России, ближнего и дальнего зарубежья.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

60

Дата поступления материала

20.09.2007