Исследование процессов в газонефтеносных пластах при действии на них подземных взрывов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАННО

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛШИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА Ш.И.М.ГуОкинг

На правах руко~:;:1

Мгксименко Александр Федорович

УДК 541.11: 5-1.'2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОНЕФТЕНОСНЫХ ПЛАСТАХ ПР:' ДЕЯСТВЗ НА НИХ ПОДЗЕМНЫХ ЗЗИЙСВ

Специальность 01.02.05.- Механика жидкости, газа и

плазмы.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1991

Работе выполнена на кафедре теоретической механики МИНГ и.:. И. М. Губкина.

Научный руководитель

(финальные оппонента

Ведущее предприятие

- доктор технических наук, профессор Б.Н.Федотов

- доктор технических наук, профессор Николаевский В.Н.

кандидат технических наук Влюшин В.Е.

- Институт проблем нефти и газа

АН СССР и Государственного комитета СССР по народному образованию

Защита диссертации состоится 1991 г. в

/&час. на заседзнии Специализированного совета Д.053.027.12 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Московском институте нефти и газа им.И.Ы.Губкина по адресу: г.Москва, 117917, Ленинский просп., д.65, МИНГ им.К.М.Губкина ауд.

С диссертацией мэхяо ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "____"

1991 г.

Учета секретарь Специализированного совета Л. 053.27.12, к.т.н.

Ю.Д.Райский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Все существующие метода интенсификации разработки газснеф-теносных месторождений основаны ила на поддержании энергетических ресурсов пласта, или на искусственном изменении физических свойств нефти ( внутрипластовое горение, электропрогрев и г.п.), или на сочетании того и другого. Фильтрационные сеойстез пород при использовании этих методов остаются без изменения. При использовании акустических методов фильтрационные cEoüCTEá пород изменяются на сравнительно небольших расстояниях. Однако s продуктивных толщах, особенно в карбонатных отложениях, очень часто встречаются гидродинамически изолированные газонефтенасыщекные линзы и пропластки. Поэтому применение даже самых прогрессивных из существующих методов воздействия на пласт ограничено по своим результатам и на некоторых месторождениях дает весьма небольшой эффект.

Принципиально новым методом воздействия на пласт, который улучшает его фильтрационные свойства на большой площади и позволяет вовлечь в разработку изолированные линзы и пропластки, является применение сильных подземных взрывов. В настоящее время наиболее простым способом создания сильного взрывного воздействия на пласт является ядерный взрыв. Одной из целей применения мощного подземного взрыва является создание обширной системы трещин, пронизывающей продуктивный пласт. Однако, даже при относительно мощных подземных взрывах, как показали промышленные эксперименты, размер области развитой трещиноватости неЕелик и лежит в пределах двух-трех приведенных радиусов. В связи с этим, особый интерес вызывают эффекты, имеющие место в дальней зоне, то есть йа таких расстояниях, где не проявляются специфические особенности подземного взрыва.

Для решения проблема эффективного использования энергии взрыва в нефтегазоносном коллекторе необходимо глубокое :: всестороннее изучение свойств пород и нарзда^нс их углеводородов, причин, вызывающих изменение термодиыамичесгсого состояния залз-2К.-М физико-хзфшческих свойств нефти, газа и газового конденсата, что позволит выявить закономерности.в .этих преобразованиях оценить их- значение для процесса разработки нефтяных, и газовых : месторождений. Изложенные обстоятельства делают актуальной тему - настоящего исследования. ,

Цель,работы. Экспериментальное и теоретическое изучение явлений, имеющих место в дальней зоне взрыва, которые могут оказать влияние на залежь в целом и предопределить изменение кол-лекторских свойств пласта, а также физико-химических свойств уг-зодородов, то есть всего того, что вкладывается в понятие: термодинамические свойства.

Основные задачи исследования:

1. Экспериментальное изучение частотного спектра взрывной волны в дальней зоне продуктивного пласта на глубинах 1000-2000 метров для последующего построения физической или математической модели процесса ее распространения.

2. Исследование причин возникновения вторичного электромагнитного излучения в дальней зоне взрыва.

3. На основании экспериментальных данных, выявление закономерности изменения •-давления в эксплуатационных скважинах в зависимости от расстояния до эпицентра взрыва.

■ - 4-. Дополнительное обобщение экспериментальных данных по влиянию' взрывных-, вода на физико-химические- свойства нефти, газа . и газового конденсата в зоне.упругих, и пластических деформаций. ■ •■"' ' 5'. Проведение специальных теоретических-и экспериментальных

. 4 , ......

исследовзнпй, направленных яа обнаружение к ооъяспепие ряда тер-модзйамлческзп: зффзхтсв, вознпкзгздих в ::идкс.1 углеводородной среде при прогоэденэ: ударной ео.дш.

Научная новизна. Подтверждено, что- действии подземного взрива не ограничивается зоной развитой тре^ксвзтостп, а распространяется на значительный объем ззлезхн релздотБ'.з: пэзеюдз последней в другез термодинамическое состояние.

Экспериментально установлено хзкеЕзнгз ;а:ос-с; свойств гадких, углеводородов при прохогдзнж по ним ударней гола. >с?зео2.*зпо пзмзкенио хзра::73ро хрггкх течения иефга поаз-з ярогзздеяия на кой ударной еолш. Усггнсалбн тз'ске зфгехт остаточной полярлгагта нефти, зиззашзуй действием ударной вола;.

у-з: :-:о.1 го.1":1; по ::;дкой углеьодородной среде, зри наличии логических р-закиий, при это!.', предполагалось, что жест место рзгноввеккй процесс.

Проведен анализ записей сейсмических еодн, распространяю-гцихся от эпицентра Езрывз. Получены амплитудно-частотные хзрак-терззстзпси сейсг.'зпескза. волн. С зс. помедью делается попытка установить возможность развития в нефтегазоносном пласте кавитациои-кых процессов, которые могут оказывать существенное влияние на изменение фпзико-хззмзпесгазх свойств нзегаахких пласт углеводородов, а -такт-га на фильтрационные характеристики самого пласта.

Практическая значимость. Количественная и качественная оценки изменений, вызванных действием взрыва на нефтегазоносный пласт, позволяет расширить каши представления о характере и степени влияния взрывных волн на термодинамическое состоятп!е продуктивных пластов.

Результаты исследования закономерностей изменения .^изкко-

химических свойств жидких углеводородов при воздействии на них взрывом могут быть использованы при проектировании взрывных воздействий на нефтегазоносные залежи, а также для разработки новых химических технологий с более глубокой степенью переработки уг-нодородного сырья.

Анализ амплитудно-частотной характеристики взрывной волны в дальней зоне позволяет дать оценку размерам зоны пластических деформаций в насыщенной пористой среде и является основой для лабораторного моделирования процесса воздействия сейсмической волны на нефтегазонасыщенные коллекторы.

На основе построенной математической модели можно оценить степень равновесных превращений, имеющих место в реагирующей конденсированной среде при прохождении по ней ударной волны.

Реализация результатов работы. Результаты иследований частично использовались при составлении проектных заданий на производство подземных Езрывов на нефтегазоконденсатном месторождении.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Молодежь и научно-технический прогресс в нефтяной и газовой промышленности" ( г.Москва, 1981 г.), IV Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям ( г.Москва,

1933 г.). Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Проблемы комплексного освоения нефтяных и газовых месторокде-ний" ( г.Учкекен, 1984 г.), Первом Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (г.Алма-Ата,

1934 г.), XI Губкинских чтениях "Фундаментальные проблемы неф-тегазогеологической науки" ( г.Москва, 1989 г.), международной конференции "Разработка газоконденсатшх месторождений" (г.Крас-

нодар, 1990 г.)» 2 Всесоюзной школе-семинаре "Разработка место-роздений нефти и газа: современное, состояние, проблемы, перспективы", научно-технических семинарах лаборатории кафедры теоретических основ поиска и разведки месторовдений нефти и газа, кафедры физики МИНГ им.И.М.Губкина.

Публикация. Материалы диссертационной работы изложены в 8 печатных работах и двух научно-технических отчетах.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 115 страницах, в числе которых 31 рисунок и 13 таблиц. Список литературы Еключзет 172 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемых проблем и указана их связь с потребностями современного этапа разработки нефтегазоконденсатных месторождений, определены основные задачи исследований и их научная новизна, приведены основные результаты.

В первой главе проанализированы достижения последних лет в изучении нелинейных волновых процессов, дана общая характеристика нефтегазоконденсатного месторождения на котором проводились промышленные эксперименты с использованием камуфлетшх взрывов.

Исследованию взрыва в горных породах посвящены работы В.В. Адушкина, Э.И.Андрианкина, А.В.Бовта, С.С.Григоряна, А.Ю.Ишлинс-кого, В.П.Корявова, В.М.Кузнецова, М.А.Лаврентьева, Е.Е.Ловецкого, Г.М.Ляхова, В.Н.Николаевского, В.Н.Родионова, Л.И.Седова, М.А.Садовского, К.П.Станюковича, С.А.Христиановича, Г.Броуда, Дж.Тейлора, Г.Родена, Д.Ларсона и многих других авторов.

В качестве источника сейсмических волн при взрыве в бесконечной изотропной среде будем рассматривать сферическую поверхность S радиуса R, отделящую область неупругого поведения среда от области ее упругого деформирования. Будем искать решение в гиде U -- аг(ф(гД)/г) = -ф/г2 + г~1дг<р при следующем граничном условии

?* = -С^Л R,t )= -{( \ + Ц )Эги t ZU/r >1^ ( 1 ) где U - смещение, <р( r,t )- потенциал смещения, а X и ц - константы Ламе. Потенциал смещезшя v(r,t) удовлетворяет волновому уравнению, его решением является произвольная функция переменной 1 = t -( г - Е )/а, вид которой определяется из граничного условия (1 ). Имеем

й2ф/dt2 + 4глло(1ф/йг + 4г>ио2ф = i(i) ( 2 )

где ш0 = a/R, v = ц/(\ + 2ц), а2 =(\ + 2\i)/p.

Воспользуемся приближенной зависимостью давления от времени на

поверхности сферы S, которую запишем в следующем виде

p|r=R = рос + ШеГаХ ( 3 >

Тогда i = -(Р + APe^b-Hm-R/p. Найдем решение ( 2 ) и введем следующие обозначения

а2- 4cnw + 4ги2 „ . «

о о а 1 п I о

ö = --- =1--+ -( а/и ) = 1 - q + —<t ,

4ги и 4v 4v

о о

где q = а/шо. Используя граничное условие ( 1 ) получим , R чЗ ДР ,, R ,3 fR,2 q1, R „

Р = ?ос(т) +т!Ы - ЧЫ +-dv)le 4

-2wo а,, 1

+ (R/r) 11 - (R/r)]e ° I ( Рос+ AP/Ö )( 1 + R/r ) - qAP/0 I«

--- . q&P

«C03(2uJi'(1-v)T) - v/(1 -v) |(P0C+ AP/o )( 1 - R/r )---

»[1--( 1+ И/г )] |31п( 2ш V(1 —V)X ) ( 4 )

>. 2У ' *

Очевидно, что, измеряя давление в промыслоЕых условиях мы будем получать практически его максимальную величину. Поэтому будем искать максимум функции, определяемо!! из ( 4 ). Не делая существенной ошибки, в заданной точке пространства положим ?тт,ах ~ Р(г,0). Тогда получим

с И ,3 ДР, ( И .3 /• й ч2 о% Н ч,

и

+ -( 1 - НУг )[( Р„п+ АР/Л )( 1-Й/г ) - аДР/О ] ( 5 )

г

Очевидно, что решение ( 4 ) не может полностью отражать реальный процесс. Главной причиной здесь является всегда существу-гдзя неоднородность пласта, так как основная несущая частота V(1 -v) включает в себя характериспжи горного мзссиез. Слезет отметить, что переход от нелинейной неуггругой еол1ш сжатия к линейкой упругой сейсмической волне определен недостаточно хорошо отчасти и потому, что в реальных геологических средах вообще не существует идеально упругого распространения еолн напряжений.

Важной проблемой, которая остается вне рамок теоретического анализа, является изучение частотного спектра сейсмических волн, а значит и волн напряжения, образовавшихся в результате мощного подземного взрыва.

Расчеты преобладающих частот при мощных подземных взрывах по простым оценочным формулам, даже при введении различных поправочных коэффициентов, не позволяют получить результаты, справедливые во всем диапазоне частот. Отсюда возникает насущная необходимость изучения спектра преобладающих частот сейсмической волны, особешю потому, что эти результаты могут Сыть в дальней-

шем использованы для моделирования механического действия мощных взрывов в горных массивах.

С целью оценки параметров сейсмической волны в скважины, находящиеся на расстояниях 1900 и 800 метров от эпицентра взрыва, были помещены приборы вертикального сейсмического профилирования с цифровой регистрацией и регистрацией на световых осциллографах. Анализ результатов обработки сейсмограмм показывает что, основные несущие частоты сейсмической волны заключены в интервалах: 9-15, 17-23, 31-33 и 57-61 Гц. В отдельные моменты времени проявлялись частоты от 90 до 110 Гц. Следует отметить, что, используемые приборы, без искажений воспринимали частоты от О до 200 Гц.

За всю историю проведения мощных подземных взрывов накопилось множество сейсмологических и геологических доказательств того факта, что подземный взрыв высвобовдает существовавшее к моменту взрыва тектоническое напряжение. Пресс и Аршамбо предположили, что высвобождение тектонических напряжений происходит вокруг неупругой зоны взрыва, то есть поле тектонических напряжений реагирует на возникновение зоны развитой трещиноватости вокруг полости взрыва. По второй гипотезе взрыв является триггером для смещения в плоскости близко расположенного разлома. Первая гипотеза кажется достаточной в большом числе случаев, но триггерная гипотеза намного лучше соответствует высвобождению относительно больших тектонических напряжений.

С другой стороны, волна напряжения, распространяющаяся вверх от подземного взрыва, отражается от свободной поверхности в виде волны разряжения, на некоторой глубине растягивающее напряжение в отраженной волне может превысить сумму напряжений в волне сжатия, литостатического давления и предела прочности по-

рода на растяжение. Происходит разруиение, и в тоже время суммарный импульс массы породы, находящейся над областью растягива-ицих напряжений, направлен вверх. Движение отколовшегося слоя, в конце концов, заканчивается "шлепком" обратного падения. Сейсмические волны, которые могут возбуждаться этим импульсом, представляют интерес в свете задач, изучаемых в данной работе.

На рис.1 приводятся фрагменты осциллограмм глубинной сейсмической волны, зарегистрированной на расстоянии свыке 1900 метров от точки заложения заряда. Здесь отчетливо видно, что через 8.1 секунды после начала регистрации происходит значительное усиление колебаний. Креме того, из рисунка видно, что в некоторые моменты времени перемещения масс грунта направлены в разные стороны. При достаточно большой разнице перемещений может возникнуть откол. Очевидно, что эти явления предшествовали усилению сейсмических колебаний. Однако, механическое действие откола, скорее Есего, проявляется в ближней зоне взрыва ( на расстояниях до 900 метров ). Поэтому, наиболее вероятно, что зафиксированное усиление колебаний связано именно с высвобождением тектонической энергии, накопленной в горном массиве. В настоящее время нет достаточно общей точки зрения о механизме высвобождения тектонического напряжения.

Тектоническая энергия, высвобождаемая при прохождении сейсмической еолны, может стать дополнительным источником, изменяющим термодинамическое состояние газонефтяной залежи. Величина ее зависит от типа горного массива, а также от его напряженного состояния. ;

Помимо записей сейсмических волн, излучаемых подземным взрывом, проводились исследования изменения давления в скважинах. удаленных на различные расстояния от эпицентра взрыва. Ана-

6.8

7.0 7.1 7.2 7.5 7.6 сек

Рис. X. ФРАГМЕНТЫ ОСЦИЛЛОГРАММЫ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ' ВОЛНЫ

лиз результатов эксперимента показывает, что изменение давления можно аппроксимировать функцией ДР ~ г-01, где показатель степени а = 2.61. Этот результат хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными Д.Ларсоном.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований вторичных эффектов, связанных с прохождением сейсмической волны по газонефтеносному пласту, дается теоретическое обоснование возможности возникновения каЕитационных процессов при прохождении сейсмической волны по насыщенным коллекторам.

Перенос энергии и массы вещества в горных породах, с точки зрения термодинамики необратимых процессов, описывается системой уравнений Онззгера, кс:ду кинетическими коэффициентами которой существуют соотношения взаимности. Фактически это означает, что энергия распространения сейсмического поля тесно взаимосвязана с градиентом давления, температуры, насыщенности и электрического потенциала. В связи с тем, что пока не представляется возможным дать количественную оценку кинетических коэффициентов, теоретическое решение уравнений Онзагера значительно затруднено.

В последнее время определенный интерес представляют результаты исследования электрического эффекта, имеющего место з непьезоэлектрических материалах при их деформировании в ударных волнах. Возникающая разность потенциалов есть следствие электрической полязации среды за фронтом ударной еолны. Для случаев медленных деформаций эффект связывается с движением и разделением зарядов в поле механических напряжений. Результаты исследования ударной поляризации позволяют приблизиться к понимании неравновесных процессов, отличающих динамическое нагружение от статического.

Характерная осциллограмма поляризационной э.д.с., возникая-

цей е нефти приведена на рис.2. Эта осциллограмма подобна запасся?.! и (г) для некоторых ранее изученных соединений таких, как вода, четыреххлористый углерод, бензол и других. Оценка величины

-Ч 1

поляризации нефти за фронтом ударной волны дает Р ~ 10 К/см^.

Попытаемся теперь оценить возможную напряженность электрического и магнитного полей в условиях деформирования в сейсмической волне, что шест место в дальней зоне подземного взрыва. К сожалению, действительный механизм распределения зарядов при "медленной" деформации еще в значительной степени не ясен. Характерной скоростью, в этом случае, будет скорость электромагнитных волн в вакууме с. Площадь, по которой будет происходить деформация, в первом приближении, можно считать равной квадрату линейного размера Ь зоны упругих деформаций. Характерным размером Ио здесь будет радиус зоны пластических деформаций.

Тогда объем поляризованной области, по порядку величины,

равен Ь, а полный дипольный момент й этого слоя й = Р-Ь. Для

_о о _с

оценки примем Р ~ 10 К/см и г ~ 10 с. Оценим напряженность

электрического поля Е на расстоянии Ь ~ 1000 метров от эпицентра взрыва. Для приближенной оценки Е можно воспользоваться выражением для дипольного излучения

¿" й

Е = — ~ —-г ( б )

С Ч*

Тогда, подставляя в ( б ) выбранные значения й, Но, г получим, что Е должно быть порядка Ю-6 В/см. Следует отметить, что сделанная оценка не учитывает ослабления электромагнитного поля за счет экранирующего действия вышележащих слоев.

Было высказано предположение, что при прохождении сейсмической волны, вызванной подземным взрывом, должно возникнуть "вторичное" электромагнитное излучение. Поэтому в скважину,

т-

- r I Ii 1

МП 1111 i >

1 л 1 llll-tlll llll tin

— 1 1 5 !.

| = i j 1

Ру3 = 2ъ,5 чБд?

Рис.2. ОСЦИЛЛОГРАММЫ Э.Д.С. , ВОЗНИКАЮЩЕЙ 3 НЕФТИ "РАЧЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПРИ УДАРНОМ СЖАТИИ

расположенную на расстоянии 1625 метров от технологической скважины 3 и 2600 метров от технологической скважины 4, на глубину 1950 метров, для регистрации электромагнитного излучения, была опущена специально сконструированная рамочная антенна и пьезоке-рамический датчик давления.

Вторичное электромагнитное излучение,'связанное с приходом сейсмической волны, было зафиксировано через 406 мс после первого и через 276 мс после второго взрыва. Максимальные значения амплитуды электрической составляющей электромагнитного излучения составили соответственно 150 мкВ/м и 400 мкВ/м, что по порядку величины соответствует полученной выше оценке. Длительность вторичного электромагнитного излучения после первого взрыва составила 54 мс, а после второго - 258 мс. Осциллограммы записи вторичного излучения приводятся на рис.3 и 4. На приведенных записях отчетливо видно, что именно с изменением давления в скважине связано вторичное электромагнитное излучение. Амплитуда электромагнитного сигнала растет с увеличением амплитуды давления.

На основани проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что процесс распространения сейсмической волны в газонефте-насыщенной залежи сопровождается сложными механохимическими и физическими эффектами, которые оказывают свое влияние на термодинамическое состояние залежи, что может привести к изменению фильтрационных параметров пласта и свойств пластовых жидкостей.

Из анализа фактических данных следует, что действие взрывных волн прослеживается на значительных растояниях от точки заложения заряда. Причем, если оценить энергию взрыва, приходящуюся на единицу объема горного массива, и сравнить ее с количеством энергии, необходимой, Например,'для разрыва.основных углеводородных связей, то окажется, что еэ явно недостаточно'для воз-

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЕ

<100 300 -200 100 -

Енм, мк«/п

г ноленг »01Д1йсгаия низкие члстогА „шнмхкн'иммнис ДО 0.2 МГц ?0,7МГц - ¡00 н*в/*

300 -200 (00 -

Е вц' ИКЬ^М

высокие ЧАСТОТЫ

ДО Ь МГц

ЗМГЧ - 360 *«*/» У-Мгмчио! изучение-1,6 МГц - 210 /п 0,9МГц - 35 0,5МГц - 30 Н*д/н

" " " " *

Рис. 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СКВАЖИНЕ НА РАССТОЯНИИ 1625 И.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

гоо

400

100

ИЦ, ««и/«

м}КН£ ЧАСТОТЬ! до 0.2МГц

'помент воздействие

„первичное" И7ЛУЧ£НИ£ л 0,1МГц - 1$ОмкШ/м

£ ВЧг Г\К»1п

высокие ч*сготы до Ч мЫ

ННГц - *ГЛХ0/>Г

ЗМГ ц

б.ЧИГч - «Ол<1/ч — 30 пл«/п

У 910**4. ил\УЧ£Нп\

\п1Рвычноши нзлщение

Рис.4/ ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СКВАЖИНЕ НА РАССТОЯНИИ 2600 п.

Е - НАПРЯЖЁННОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ V - 7,3 км/ы* - скорость распрострам£ ния сейсмических волн

ншшовешш эффектов, зарегигтрирораннвг ь ходз ирсюшоншос экспериментов. Поэтому, необходимо на:1та ллоо механизм ее локальной концентрации в пласте, либо ез донолыиельнкй источник.

Дополнительным источником энергии могут стать казнтзцн'лшке процессы. Анализ сейсмограмм показывает, что частотный спектр сейсмических. волк, вызванных подземным взрывом лежит в интервале 0.06-1.7 КГц. В ряде работ отмечается возможность возннкновения .кзвитацни при таких частотах.

Для возникновения кавитации, если исходить из общепринятой оценки, необходима плотность энергии 1-2 Дж/см~. Результаты расчетов показывают, что, даже без учета возможного высвобождения тектонической энергии, ударная кавитация возможна на расстояниях до шести приведенных радиусов от эпицентра взрыва.

Б работе проведены численные расчеты нестационарного роста гззового пузырька в слабосжимаемой жидкости под воздействием переменного поля давления. Их результаты позволяют заключить, что, даже без учета возможного возникновения локальных удзршх волн, сопровождающих схлопывание газового пузырька, в его окресности могут возникать давления, достаточные для изменения структуры порового пространства и свойств пластовых жидкостей. Кроме того, по достижении определенной величины давления, вблизи поверхности твердой матрицы могут возникать интенсивные течения, которые ведут, во-первых, к срыву пленок с твердой поверхности, во-вторых, являются источниками локальных нарушений однородности и термодинамического равновесия.

В третьей главе исследуется изменение физико-химических

свойств углеводородных соединений при прохождении по ним.ударных и сейсмических еолн. На примере разложения гексана проведены модельные расчеты прохождения ударной волны по реагирующей конден-

сирор.лжсг'; среда.

Анализ результатов, проведенных автором, эксперимент,•злтлт лсс.лсдоилш'й по удэрно-волнепему лэгругяшгы нефтей псказкзяэт, что происходят изменения в количественном соотношении углеводорода!« структур, изменяется кинематическая вязкость и реологические свойства пофтей. Основные изменения происходят в ароматических, парафиновых и нафтеновых структурах.

Проводились та:сг!е экспериментальные исследования изменений компонентного состава газового конденсата в результате ударного сжатия. Так, при ударном сжатии газойля отмечается образование бензиновой фракции до 12% от общей массы образца, в среднем на 9-12% увеличивается массовая доля легхскиплщих фракций и на 2.53% снижается количество тяжелых остатков.

Основным акта.! механохимической деструкции является разрыв макромолекулярных цепей под действием энергии ударпой волны, в результате неравномерного распределения которой, в молекулярной цепи возникают локальные перегрузки, достигающие критических значений, превышающих прочность химической связи. В зависимости от источника, действие импульсных нагрузок на Ееществс может быть различны;/., причем эффективность процесса обеспечивается только в случае, когда динамическое воздействие соответствует физическим свойствам вещества и создает достаточную концентрацию энергии в единице объема. Процессы деструкции не развиваются од-новреременно во всей области, а распространяются последовательно со скоростью ударной волш. Под действием ударного импульса, в результате направленного изменения геометрических размеров дисперсных образований и межфазного слоя, происходит перераспределение углеводородов между фазами, что влияет, в конечном итого, на физико-химические свойства углеводородных соединений.

Проводились экспериментальные исследования процессов деструкции углеводородов, вызванных прохождением'сейсмической волны. Для этого были проведены аналитические исследования проб нефтей и попутного газа, отобранных до и после проведения камуфлетных взрывов.

По результатам проведеннх исследований можно наметить следующую приближенную схему преобразования углеводородных соединений. Вода, сорбированная поверхностью горной породы, диссоциирует по. схеме: Н20 *-* Н+ + ОН". Причем, константа диссоциации сорбированной воды превышает константу диссоциации воды в свободном объеме при 25° С почти на семь порядков. Следовательно, твердая поверхность зерен породы становится акцептором электронов, а их донорами являются углеводородные соединения. В результате перераспределения электронов происходит окисление углеводородов и восстановление воды до Н2 и 02. Окисление инциирует процессы деструкции, конечными продуктами этих реакций являются N и 02, как результат распада кислот, увеличивается содержание свободных газов и появляются их новые компоненты, например, Н2, С0г, тяжелые углеводороды, в том числе и непредельные.

На основании проведенных исследований можно отметить следующее:

1. В скважинах, расположенных на расстоянии свыше л приведенных радиусов от источника взрывных еолн, после взрыва, в среднем, на 20% снизилось давление насыщения и газонасыщенность нефти. Наиболее значительные изменения произошли в содержании легких фракций ( н.к.- 100°С). Возросло содержание парафиновых структур за счет уменьшения нафтеновых и ароматики. Изменился состав растворенного в нефти газа, что выразилось в значительном увеличении количества тяжелых углеводородов.

2. Действие первого взрыва распространилось практически на всю залежь. Поэтому последующие серии не оказали значительного влияния на физико-химические свойства углеводородов, кроме зон, лежащих до 4 приведенных радиусов от технологических скважин, где каждый последующий взрыв вызывал дополнительные изменения в составе нефти и попутного газа.

3. На расстояниях до 4 приведенных радиусов от источников взрывных еолн произошло увеличение вязкости и плотности нефти. Снизилось количество легких фракций, возвозросло содержание смол, асфальтенов и тяжелых ароматических углеводородов. В составе попутного газа заметно уменьшается содержание метана, в несколько раз возрастает доля тяжелых углеводородов, азота и уг-углекислого газа. И, наоборот, на расстояниях свыше 4 приведенных радиусов- количество метана в попутном газе растет, а доля тяжелых углеводородов падает.

4. Изменения, наблюдаемые после взрывов во фракционном, групповом и индивидуальном составе метановых, нафтеновых и ароматических углеводородов носят устойчивый во времени характер.

Проводилось исследование физико-химических свойств углеводородов, отобранных из полостей, образованных в результате проведения подземных взрывов. Анализ результатов позволяет отметить следующее, что нефть, отобранная из полости взрыва, имеет облегченный фракционный состав и полностью выкипает до 280°С. Возрастает содержание бензиновых фракций и легкокипяяих компонентов среди всех групп углеводородов. С течением времеш! наблюдается тенденция возвращения всех показателей к их исходным значениям. Это связано с процессом остывания зоны, прилегающей к. полости взрыва, и притоком в полость свежих порций нефти из дальней зоны месторождения.

Далее в диссертационной расоте построена расчетная модель прохождения ударной волны по реагирукцей конденсированной среде. Термодинамические параметры смеси жидкостей зависят от ев состава, который изменяется с изменением температуры п давления. Поэтому, при помощи методов классической газодинамики невозможно с хорошей точностью расчитать движение сжимаемой реагирующей среда, так как в этом случае имеют место физико-химические процессы, которые не укладываются в рамки модели силосной инертной сжимаемой среды, принятой в классической газодинамике. Для описания свойств многокомпонентных сред существует несколько физических и математических моделей. Основные характеристики реагирующей смеси, такие как относительные молярные концентрации х^, температура Г, плотность р и давление Р в равновесном течении связаны между, собой системой уравнений, в которую входят: уравнения закона действующих масс, термическое уравнение состояния смеси, уравнения материального балланса. При неравновесном течении необходимо знать зависимость скорости химической реакции от относительных молярных концентраций, температуры и давления. В силу сложного состава природных углеводородных соединений и отсутствия значений необходимых констант, автору не удалось построить модель распространения ударной волны по нефти. Поэтому в качестве модельной среды был взят гексан для которого необходите расчетные константы приведены в работе И.Пригожина.

Рассмотренные далее результаты расчетов предполагают подавление всех реакций кроме одной. Определение реального равновесного состава конденсированной фазы при наличии нескольких одновременно протекающих независимых реакций требует совместного решения всех уравнений, связываших мольные доли компонентов смеси при равновесии.

Уравнение состояния смеси запишем в виде произведения

Р(р,Т) = <р(р)ф(Т). Функцию ф(р) зададим уравнением Коула, а для

-аДТ

функции ф(Т) запишем следующее выражение ф(Т) = е , здесь а-коэффициент термического расширения. Полагая постоянной скорость распространения ударной волны и используя соотношения Рэнкина-Гюгонио на фронте ударной волны, термическое уравнение состояния конденсированной фазы, а также закон действующих масс, получим систему нелинейных алгебраических уравнений для определения равновесного состава реагирующей смеси.

Р., Р2

п2 Р, ?

= т!(т) 1

р = р

= р, ♦ р.в2! 1 - — j

, f , -схС^-Т,) ( 7 }

P,J

A /RT

e

1 - x

Здесь А - функция стандартного сродства, а индексами 1 и 2 отмечены значения параметров смеси перед и за фронтом ударной волны. Полученная система нелинейных алгебраических уравнений решалась методом итераций. На рис.5 и б приведены графики зависимостей массовой доли реагента и давления в смеси от числа Маха. Используя построенную модель, в первом приближении, можно оценить степень преобразования конденсированных углеводородных соединений при прохождении по ним ударной волны. Для Солее точного и детального анализа распространения ударной волны по конденсированной реагирующей среде необходима более корректная математическая модель, построенная на основе принципов неравновес-

х

Рис. 6. ЗАВИСИМОСТЬ ДАВЛЕНИЯ В СМЕСИ ОТ ЧИСЛА МАХА

5.ЗАВИСИМОСТЬ МАССОВОЙ ДОЛИ ^АГЕНТА ОТ ЧИСЛА МАХА

ной термодинамики.

ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ К ВЫВОДИ

1. Установлено, что при камуфлетнсм взрыве происходит высвобождение тектонической энергии, накопленной горным массивом, которая монет стйть дополнительным источником воздействия на газо-нефтеноснув залежь.

2. Установлена зависимость давления в газснефтенссной залежи от расстояния до эпицентра взрыва. Это позволяет сделать вывод, что действие взрыва распространяется на область, значительно преБывающую расчетную зону развитей треииноватости. Влияние ЕзрнЕных волн про&кевшается до расстсшзй £-9 пр:я»едешшх радиусов, где не сказываются специфические особенности подземного взрыва. Это подтверждено результатам! исследования изменений физико-химических свойств нефти и газа.

3. Экспериментально в лабораторных условиях установлен эффект остаточной поляризации нефти при прохождении по ней ударной волны.

4. Установлено, что распространение сейсмической волны, вызванной камуфлетшм езрыеов, связано с возникновением "вторичного" электромагнитного излучения в нефтегазоносном коллекторе. Дана теоретическая сценка величины параметров вторичного электромагнитного поля, которая совпадает с результатами экспериментальных измерений.

5. Проведено исследование изменений физико-химических и реологических свойств нефтей. Отмечено влияние исходные характеристик нефти на степень ее преобразования. Показана возможность использования- ударно-волновых методов для создания химических технологий с более глубокой переработкой углеводородного сырья.

6. Проведено дополнительное обобщение изменений физико-химичес-

ких свойств нефти и попутного газа, отобранных после проведения камуфлетного взрыва в зоне пластических и упругих деформаций горного массива.

Т. На основании полученных результатов можно заключить, что при камуфлетном взрыве, помимо механического действия, имеет место изменение термодинамического состояния залежи в целом, что, в конечном счете, приводит к интенсификации отбора нефти и газа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. 00 изменении группового состава нефти при ударном нагружении / Максименко А.Ф. в соавторстве с Бакировым Э.А., Клаповским В.Е., Минеевым В.Н., Федотовым Б.Н. //IV Всесоюзный симпозиум по импульсным давлениям: Тез. докл.- М., 1983.- с. 136.

2. Исследование свойств текучести нефти после ударного нагруже-ния / Максименко А.Ф. в соавторстве с Бакировым Э.А., Клаповским В.Е., Минеевым В.Н., Федотовым Б.Н. // IV Всесоюзный симпозиум по импульсным давлениям: Тез. докл.- М., 1983.-е. 112.

3. Максименко А.Ф. Изменение сеойств нефти после ударного нагру-жения // Проблемы комплексного освоения нефтяных и газовых месторождений: Тез. докл. Всесоюзн. конф. мол. ученых и спец. 25-27 июня 1984.- М., 1984,- с.121.

4. Изменение группового■состава нефти после ударного нагружения / Максименко А.Ф.в соавторстве с Бакировым Э.А..Клаповским В.Е., Минеевым В.Н., Федотовым Б.Н. // Первый Всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике: Тез. докл.-Черноголовка, 1984.- с. 85. '

5. Максименко А.Ф. Изменение реологических свойств углеводородов при ударно-волновом воздействии на них // Повышение эффективности и надежности инструмента, оборудования и сооружений нефтяной.

газовой и нефтехимической промышленности. Сборник трудов МИНГ им.И.М.Губкина.- М.: 1989.- вып. 216.- с. 166-169.

6. Изменение химического состава флюидов год воздействием мощных подземных взрывов при разработке нефтегазоконденсатных месторождений / Максименко А.Ф. в соавторстве с Федотовым Б.Н. и Шахиджановым B.C. // Фундаментальные и поисковые научные исследования / Труды международной конференции: Разработка газоконденсатных месторождений.- Краснодар, 1990.- с. 237-241.

7. Применение подземных взрывов с целью ввода в повторную эксплуатацию полностью обводненных нефтегазоконденсатных месторождений / Максименко А.Ф. в соавторстве с Кирюхиной H.H., Федотовым Б.Н., Шахиджановым Ю.С. // Разработка газовых и газоконденсатных месторождений. Экспресс инф. - М.: ВНИИЭГазПром, 1990, в. 4-5.- с.1-5.

8. Экспериментальные исследования волн давления, возникающих в газонефтяном пласте при мощном подземном взрыве /Максименко А.Ф. в соавторстве с Дулеповым Ю.А., Дзюбенко А.И., Федотовым Б.Н. и Шахиджановым Ю.С. // Разработка нефтяных месторождений и методы повышения нефтеотдачи. Экспресс инф. - М.: ВНИИОЭНГ, 1991.-вып. 1.- с. 16-21.