СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГОРНОЙ МАССЫ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ Российский патент 1997 года по МПК E21B43/28 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно, к интенсификации добычи полезных ископаемых, и может быть использовано для повышения дебита технологических скважин при добыче полезных ископаемых способом подземного выщелачивания, для увеличения водоотдачи и приемистости гидрогеологических скважин, а также для интенсификации нефтеотдачи.

Целью изобретения является управление проницаемостью призабойной части скважины, повышение эффективности электровоздействия за счет оптимизации режима электрообработки.

Способ реализуют следующим образом. Бурят одну или несколько скважин, достигают продуктивного пласта. После вскрытия пласта и сооружения технологических скважин, часть из них оборудуют электродами. Обычно в каждой технологической скважине располагают по одному электроду. В случае вскрытия залежи, полностью обсаженной металлической колонной скважиной, в качестве второго электрода используют обсадную колонну скважины. К электродам подводят кабель, соединенный с источником импульсного тока. Для снижения эффективного сопротивления между электродами можно до пропускания тока осуществлять закачку проводящей электрический ток жидкости, например, щелочной или кислотный раствор. Затем через продуктивный пласт пропускают импульсный ток, приводящий к перестройке структуры порового пространства и изменению коэффициента проницаемости вокруг скважины. До пропускания импульсного тока определяют величину критической плотности тока экспериментально или по формуле

где
k коэффициент, характеризующий структуру пустотного пространства среды k=(0,5-0,001)
σ^* минимальное значение предела прочности цементирующего вещества на разрыв, бар
m пористость среды, доли единицы
c теплоемкость выщелачиваемого раствора, Дж/кг град.

r плотность среды, кг/м³
r_эл удельное электросопротивление насыщающей среду жидкости, омм
β коэффициент температурного расширения насыщающей жидкости, 1/град.

a коэффициент объемного расширения насыщающей жидкости, 1/бар
d характерный масштаб неоднородности, например, размер зерна, м
a² коэффициент пьезопроводности, a²= λ/cρ м²/сек
λ коэффициент теплопроводности, Дж/м град сек.

и при реализации обратимого увеличения проницаемости воздействуют электрическим током с плотностью меньше значения критической плотности, при реализации необратимого изменения проницаемости пропускают ток с плотностью больше j^*, длительностью импульса не более τ = d²/a² со скважностью импульса не более 6, в течение времени не более t^*, которое определяет экспериментально или по формуле:

где
T^* температура начала газовой кольматации среды, град. а при реализации обратимого уменьшения проницаемости среды через нее пропускают импульсный ток с плотностью больше значения критической плотности, скважностью импульса не более 6 в течение t>t^*
Значения параметров, входящих в формулу (1), определяют либо экспериментально, например, по керну, либо используют средние значения, найденные в предыдущих экспериментах для данного типа горных пород. Для реализации обратимого увеличения проницаемости в призабойной части скважины в течение всего времени ее эксплуатации в этой зоне поддерживают плотность тока, не превышающую величину j^*. При проведении работ, целью которых является необратимое увеличение проницаемости среды, длительность импульса электрического тока задают не более τ = d²/a² а скважность импульсов не более 6. При электрообработке плотность тока в призабойной части скважины поддерживают не менее j^*, а время электрообработки не должно превышать t^*, которое определяется по формуле (2). О положительных результатах электрообработки можно судить и визуально по выносу цементирующего вещества и по изменению дебита скважины в процессе электровоздействия. После стабилизации дебита скважины длительность импульсов уменьшают и проводят повторную электрообработку прифильтровой зоны скважины, а затем пробные откачки. Если увеличения дебита после очередной электрообработки не наблюдается, значит электрообработка закончена. Для дальнейшего улучшения фильтрационных свойств среды необходимо повторить электрообработку, но предварительно повысить напряжение между электродами.

При реализации эффекта уменьшения проницаемости в призабойной зоне скважины электрообработку проводят аналогичным образом, но более длительное время t>t^*.

Оценим параметры источника энергии, необходимого для электрообработки рудного пласта мощностью n. Полагая d=0,1 см, a²=10^-2 см²/сек, определяем характерное время диссипации энергии τ = 1 сек Полагая ρ_эл= 10 омм, σ^*= 1 бар, (β/α) = 4 бар/град m=0,1, c=4 Дж/г град, ρ = 1 г/см³, k= 10^-2 из формулы (1) находим j^*. Зная j^*, можно определить полный ток, вводимый в рудный пласт для электрообработки призабойной зоны в радиусе r. По формуле I = 2πrnj, полагая n=5 м, r=1 м, находим I=30 А. Современные средства получения импульсного электрического тока позволяют создавать в пределах указанной длительности и амплитуды.

При пропускании через горные породы, насышенные электропроводной жидкостью, электрического тока, плотность которого не превышает j^* в среде не происходит разрушения наименее прочной компоненты цементирующего вещества (глины, биотита и т.д.). В этом случае разрушаются лишь пленки поверхностно связанной жидкости. Поэтому изменения проницаемости среды носят обратимый характер после прекращения электрообработки дебит скважины восстанавливается. В случае, когда плотность тока превышает пороговое значение в тонких капиллярах, лимитирующих проницаемость среды, начинается разрушение цементирующего вещества. При этом в тонких капиллярах происходит резкая локализация плотности энерговыделения, что приводит к перестройке структуры пустотного пространства среды и необратимому увеличению ее эффективной проницаемости. Степень локализации энергии в тонких капиллярах учитывается в формуле для определения j^* коэффициентом k, который характеризует степень неоднородности среды на микроуровне. При длительности импульса тока менее характерного времени диссипации энергии за счет эффектов теплопроводности, большая часть энергии локализуется в окрестности насыщающей капилляр жидкости. Характерное время диссипации энергии оценивают как τ = d²/a² где d характерный масштаб микронеоднородности среды (порядка размера зерна), а a² коэффициент пьезопроводности, определяющий скорость распространения фронта тепловой волны в скелете среды.

Экспериментально показано, что при скважности импульсов (отношение времени полупериода воздействия к длительности импульса) не превышающей 6, эффективность электрообработки практически не снижается. Поэтому, увеличивая скважность импульсов до G, можно получить существенную экономию электроэнергии при электрообработке продуктивного пласта. При превышении некоторого порогового значения энерговложения в микронеоднородную среду в ней начинается образование газовых пузырьков в тонких микрокаппилярах, что приводит к резкому снижению проницаемости среды. Поэтому при электрообработке среды с целью необратимого увеличения ее проницаемости время электрообработки не должно превышать t^*. Величина t^* определяется по формуле (2), в которую входит T^* температура, при которой начинается процесс газовой кольматации. Величина зависит от структуры пустотного пространства и определяется экспериментально для различных типов горных пород. В случае, когда выполняется условие j>j^*, а время электрообработки превышает величину t^*, в среде начинается процесс газовой кольматации, приводящий к снижению проницаемости среды вплоть до нуля. Пропуская через продуктивный пласт электрический ток, этот процесс можно поддерживать сколь угодно долго. После прекращения электродействия через некоторое время (время растворения газовых пузырьков в жидкости) фильтрационные характеристики среды восстанавливаются.

При разработке месторождений методом подземного выщелачивания в сочетании с электрообработкой продуктивного пласта для интенсификации процесса выщелачивания возникает проблема, связанная с разрушением (растворением) электродов кислотой. Пропускание однополярного электрического тока приводит к тому, что в результате электролиза резко увеличивается скорость растворения одного из электродов. Использование же реверсируемого импульсного тока позволяет предотвратить электролизное разрушение электродов, поскольку полярность их в процессе электрообработки меняется.

При электрообработке продуктивных пластов весьма часто возникает необходимость снижения напряжения между электродами, что может быть связано как с требованиями по технике безопасности, так и с параметрами имеющихся в наличии стандартных источников тока для электрообработки. В этом случае величину плотности тока, протекающего через прифильтровую зону скважины, увеличивают за счет снижения эффективного сопротивления между электродами.

Таким образом, предложенный способ дает возможность управлять проницаемостью призабойной зоны скважины, а в случае реализации необратимых изменений фильтрационных характеристик достигать высокой эффективности электрообработки и за счет оптимизации длительности и скважинного импульса тока снижать тепловые потери.

Выделяют призабойную часть скважины. Воздействуют на нее импульсным электрическим током. При этом предварительно устанавливают характер обратимости изменения проницаемости горной массы и критическую плотность электрического тока по формуле. В зависимости от требований изменения проницаемости, касающихся увеличения или уменьшения ее и обратимости, устанавливают плотность тока, длительность импульса и скважность импульса. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ управления проницаемостью призабойной части скважины, включающий выделение призабойной части скважины и воздействие на нее импульсным электрическим током, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности управления путем изменения проницаемости за счет обеспечения перестройки структуры пустотного пространства, предварительно устанавливают характер обратимости изменения проницаемости горной массы и определяют критическую плотность электрического тока экспериментально или по формуле

где k коэффициент, характеризующий структуру пустотного пространства среды k 0,5 0,001;
σ^*- минимальное значение предела прочности цементирующего вещества на разрыв, бар;
m пористость среды;
C теплоемкость раствора, Дж/(кг•град);
ρ - плотность среды, кг/м³;
ρ_эл- удельное электросопротивление насыщающей среду жидкости, Ом;
β - коэффициент температурного расширения насыщающей жидкости, град^-1;
α - коэффициент объемного расширения насыщающей жидкости, бар^-1;
d характерный масштаб неоднородности, например размер зерна, м;
а² коэффициент пьезопроводности, a²= λ/Cρ, м²/с;
λ - коэффициент теплопроводности,
и при реализации обратимого увеличения проницаемости воздействуют электрическим током с плотностью меньше значения критической плотности, при реализации необратимого изменения проницаемости пропускают ток с плотностью больше j^*, длительностью импульса не более τ = d²/a², со скважностью импульса не более 6 в течение времени не более t^*, которое определяют экспериментально или по формуле

где T^* температура начала газовой кольматации среды, град,
а при реализации обратимого уменьшения проницаемости среды через нее пропускают импульсный ток с плотностью не менее значения критической плотности, скважностью импульса не более 6 в течение времени, превышающего t^*. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при реализации обратимого увеличения проницаемости воздействие импульсным током осуществляют в течение всего времени работы скважины в технологическом процессе. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воздействии импульсным электрическим током осуществляют его реверсирование. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед пропусканием электрического тока в призабойную часть скважин закачивают жидкость с высокой электропроводностью. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости с высокой электропроводностью закачивают растворы кислот.