СПОСОБ КАМУФЛЕТНЫХ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА НА УГЛЕВОДОРОДНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ Российский патент 2002 года по МПК G21J3/00 E21B43/263 

Изобретение относится к области ядерной техники, в частности с использованием ядерных взрывных устройств в мирных целях.

Известно, что из горных пород - коллекторов залежей нефтяных и газоконденсатных скоплений извлекается лишь 40-70% их продукции. Для повышения процента извлечения применяются различные методы воздействия на пласт-коллектор (термические, химические, механические, биологические).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа "Способ добычи нефти и газа с помощью ядерных взрывов". (В.И. Мусинов "Добыча нефти и газа с помощью ядерных взрывов", журнал "Природа", 1991 г., 11, с. 25-33) [1].

Однако взрывы проводились в пределах осадочного чехла на уровне или ниже уровня расположения углеводородных залежей нефти и газа. И поэтому имел место локальный и кратковременный эффект увеличения добычи углеводорода (4-5 лет).

В настоящее время установлено, что углеводородная залежь постоянно подпитывается через глубинные разломы из нижележащих комплексов пород фундамента, составляющего основание осадочного чехла, и еще глубже - из мантии, где располагаются главные очаги генерации углеводорода. Восходящий поток углеводорода восполняет извлеченные при добыче углеводороды залежи, но лишь частично, т.к. скорость извлечения превышает скорость восполнения.

На расположении источников в фундаменте и в мантии, т.е. на их ювенильной природе, базируется предлагаемый метод усиления процесса подпитывания залежей за счет корово-мантийного подтока углеводородных флюидов.

Это поможет реанимировать разрабатываемые на нефть газоконденсат залежи, в первую очередь имеющие небольшие глубины залегания (1-2 км) относительно кровли подстилающего фундамента, при условии достаточной экологической безопасности [3, 4].

Цель изобретения - повышение добычи углеводородов.

Поставленная цель достигается тем, что взрывы производят в зонах корово-мантийных разломов с имеющимися УВ-месторождениями в осадочном чехле, а заряды размещают в обязательном порядке в фундаменте при соблюдении глубин в 2-3 км от земной поверхности.

Предлагаемый способ имеет импульсивно-механический характер воздействия на породы осадочного чехла и фундамента в зоне глубинного разлома. В итоге, с одной стороны, должен усилиться диффузный ток УВ-флюидов из пород осадочного чехла и фундамента, с другой - резко возрасти эффузивный восходящий подток по глубинному разлому. Средством для реализации должны послужить небольшие атомные заряды (3-5 кт тринитротолуола), размещаемые на забоях скважин, прошедших по фундаменту на разные глубины в зависимости от его возрастного типа и степени метаморфизации. Эти глубины должны быть не менее 1 км ниже кровли фундамента, чтобы эффективнее прошел процесс восходящей миграции УВ-флюидов из самих пород фундамента и главное из более глубоких его горизонтов, как проводников мантийных УВ, за счет увеличения трещиноватости пород после произведенных взрывов.

Сущность изобретения.

Для воспроизведения механизма активизации подтока УВ-флюидов снизу охарактеризуем картину камуфлетного подземного взрыва за счет большого заряда химических ВВ или атомно-ядерного заряда.

Подобный взрыв производят на глубинах более 1 км при наличии твердых скальных пород компетентного или некомпетентного типов. При этом нужно учитывать, что в таких породах вертикальные литостатические давления почти в два раза превышают горизонтальные давления. Такое различие в определенной мере сказывается на симметрии воздействия взрыва на вмещающие породы. Вместе с тем, большую роль играют структурные особенности пород (трещиноватость, пористость, блоковые структуры, степень неоднородности субстрата горных пород и т.п.).

Для краткой характеристики камуфлетного взрыва нами использованы опубликованные материалы по геомеханике подземных взрывов [1,2], в виде описания схематической модели ядерного взрыва и его последствий.

На чертеже образующиеся зоны после взрыва сильно различаются между собой по состоянию вещества горных пород.

Центральная полость взрыва имеет объем, прямо пропорциональный энергии взрыва. "Максимальный объем полости образуется главным образом за счет вытеснения среды в зону упругих деформаций, где плотность остается равной начальной" [2] с. 171, но она снижается в радиальном и растягивается в азимутальном направлениях, вызывая возвратное напряжение к центру взрыва. Возвратное движение было доказано экспериментально.

В центральной зоне в результате взрыва происходит, при возвратном движении, процесс обрушения дробленых и оплавленных пород с образованием "трубы обрушения". Ее высота составляет 5 - 8 радиусов полости взрыва, а ее осевой радиус остается равным таковому у полости взрыва (a_m).

Зона дробления характеризуется массой хаотично направленных трещин, разделяющих породу на куски разных размеров. В хрупких средах, подобных гранитам, известнякам, кварцитам, псаммолитам, в зоне дробления происходит разуплотнение породы, благодаря трещинам и вытеснению объема породы, равного объему полости взрыва и пустот в зоне дробления и следующей за ней зоной радиальных трещин, в зону упругих волн. Последняя характеризуется своей неразрушенностью, но при возвратном движении упругих волн, в ней происходит образование трещин отрыва, которые постепенно затухают с удалением от центра взрыва. Направление плоскостей этих трещин имеет перпендикулярную направленность относительно радиальных трещин предыдущей зоны.

Поведение среды в "упругой" зоне на расстояниях r > b_s, где b_s - радиус зоны дробления для хрупких или пластичных пород можно описать с помощью потенциала упругих перемещений.

Как уже упоминалось выше, интенсивность излучаемой в "упругую" зону волны определяется вытесненным объемом - V_выт, равным 4Пb2s

В итоге гипотетически признается, что происходит смещение на поверхности излучателя, нарастающее во времени до максимального значения U_m, т.е. происходит расширение внутренних зон за счет "упругой" зоны, по отрезку U_m.

При взрывах на больших глубинах (> 1 км), зона радиальных трещин может отсутствовать, если не выполняется условие (b₀ - радиус зоны радиальных трещин больше b_s): или при δ_o = 0 должно быть δ_s > 3P_н, где P_н - горное давление на уровне глубины взрыва, δ_s- величина начальной прочности породы, δ_o - прочность породы на отрыв.

Энергия взрыва - E первоначально - в форме потенциальной энергии расширяющихся газов, как продуктов взрыва, передается окружающей среде, расходуясь на разрушение породы, преодоление сил трения в разрушенной среде, а также на упругое деформирование неразрушенной среды, а также на упругое деформирование неразрушенной среды ("упругая" зона). Ее преобладающая часть переходит в тепловую энергию благодаря диссипативным (рассеивающим энергию) процессам, обусловленным внутренним трением.

В "упругую" зону передается часть энергии, которая, по имеющимся подсчетам, составляет 10 - 15% E.

Эта доля энергии расходуется на излучение упругой волны и на создание поля остаточных информаций в "упругой" зоне. Остаточную энергию продуктов взрыва в полости после взрыва оценивают в интервале 10 - 20% E.

Таким образом, взрыв малоэффективен как способ разрушения пород и для излучения упругой волны. Но следует заметить, что ядерный взрыв в два раза энергетически эффективнее, чем эквивалентный тротиловый взрыв.

К этому следует добавить, что на повышение работоспособности взрыва большое влияние оказывает наличие в породе легкоиспаряющихся веществ. К ним относятся вода, углеводороды, карбонаты и другие минералы.

Беря среды с малой (или нулевой) начальной пористостью, мы после взрыва не получим необратимого объемного уплотнения, а следовательно, произойдет лишь разуплотнение пород в "упругой" зоне с образованием трещин отрыва, т.е. "конечной пористости" и проницаемости массива. Они определяют появление возможности миграции "выжатых" углеводородов из коллекторов с образованием их скоплений близ центральной полости взрыва и в ней самой, а главное, в раскрываемых трещинах отрыва близрасположенной разуплотненной "упругой" зоны. Осадочные деформации для нее определяются из формулы:
a) δ_чч = -P_н-2(δ_o+P_н)•(b₀/r)³;

в) δ_фф = -P_н+(δ_o+P_н)•(b₀/r)³;

δ_чч,δ_фф- радиальные и азимутальные напряжения;
ε_чч,ε_фф- радиальные и азимутальные деформации.

Отсюда видно, что радиальные деформации в два раза больше азимутальных и противоположны им по знаку, а объемная деформация ε_v = ε_чч+ ε_фф равна 0. Обратное движение упругой волны напоминает амплитуду отскока с силой брошенного о землю резинового мячика. Оно особенно эффективно, когда массив пронизан системой естественных трещин и которые в условиях обратной деформации должны раскрываться, конкретно, при взрыве с энергией в 100 киловатт (кт) тротила, произведенного в граните с монолитной структурой на глубине в 1 км, где горное давление (P_н) заметно менее прочности на сжатие и на развитие взрыва сказывается незначительно. Было принято, что начальные вертикальные нагрузки в 2 раза превосходят горизонтальные (при коэффициенте Пуассона, равном 1/3). Получаемые при взрыве и после взрыва напряжения (δ_чч.δ_фф.δ_o и др.) транспортируются в зоне с радиусом, измеряемым километрами. Сравнение взрывов малого и большого масштабов ВВ и ядерного заряда свидетельствует о том, что объем среды, разрушенной во фронте взрывной волны, составляет всего лишь около 1% объема всей зоны разрушения. Кроме того, исследования показали, что при переходе от взрыва с зарядом q₁ к взрыву с зарядом q₂ средняя скорость деформирования ε^* изменяется так:
ε^*(q₂) = ε(q₁)(q₁/q₂)^1/3. При изменении ε^* на порядок (что соответствует изменению q на три порядка) прочность в соответствии с приведенными экспериментальными результатами изменяется на 5 - 10%. Такое изменение следует считать незначительным [2, с. 216].

Время расширения полости взрыва - t_x пропорционально размеру зоны разрушения, т. е. оно зависит от массы заряда по закону энергетического подобия: t_x ~ q^1/3. При этом предельная деформация разрушения - ε^* изменяется незначительно (ее рассматривают как константу). Экспериментально при заряде в 1 грамм ε^* (средняя скорость деформирования) за фронтом волны: ε^* = (10²-10³)с^-1, а ε^* при заряде q можно оценить как ε^*(q) = ε^*/t_x.
Для сравнения (у канифоли) ε^*(1 кт) = (10^-1-1)C^-1, т.е. при увеличении заряда скорость деформирования снижается. И при масштабах взрыва более 1 кт ε^*- небольшие, а прочность остается постоянной (изменения ее слишком малы).

Таким образом, можно считать влияние масштабного фактора на прочность (паспорт прочности) незначительным. Другими словами, получение необходимого эффекта объемного разрушения возможно при больших масштабах взрыва (более килотонны), но при этом паспорт прочности не зависит от ε^* (скорости деформирования). Поэтому один и тот же эффект практически имеет место при относительно малом и большом ядерном заряде (от нескольких до 100 кт).

Подводя итог, можно констатировать, что ядерные заряды для камуфлетного взрыва, необходимые в целях активации процессов разуплотнения в "упругой" зоне, могут иметь относительно небольшую мощность (несколько кт тротила), что снижает финансовые затраты и экологическую опасность самого взрыва.

Вторая часть нашей цели - это геологический аспект:
а) выбор места скопления УВ-флюидов,
б) глубина и среда заложения заряда,
в) время эффективного накопления с УВ-флюидов (т.е. их промышленного освоения).

Выбор скопления УВ-флюидов. Базируясь на концепции "сквозных" флюидодинамических потоков, нами представляется три варианта их истечения.

Во-первых, наличие восходящих струй УВ в зонах разломов фундамента, значительной мощности в 4 и более км, с кроющим осадочным чехлом небольшой мощности (0,6 - 2 км). В этом случае при наличии в чехле хорошей экранирующей толщи с подстилающим коллектором, в котором выявлены признаки УВ-скоплений, или была ранее разрабатывавшаяся УВ-залежь, заряд должен быть заложен на забое пробуренной скважины в фундаменте на глубине 0,8 - 1,0 км от его кровли в зоне разлома.

Сам же коллектор должен располагаться как можно ближе к кровле фундамента или в самой кровле.

Во-вторых, установлено прохождение восходящих УВ-потоков через надвиговую аллохтонную зону малопроницаемых пород мощностью 1,5 - 3,0 км, что выявлено с помощью геологических и геофизических исследований. В качестве аллохтона может быть пластина, оторванная от фундамента, или его взброшенно-чешуйчатый блок.

В-третьих, не исключается "уральский" тип взбросонадвиговых структур в пределах осадочного чехла, значиительной мощности (до 10 и более км). При этом имеются в пределах приразломных локальных структур участки с АВПД как благоприятные признаки мощных УВ-потоков снизу.

По опубликованным данным, современные активизированные зоны разломов и их пересечения на щитах (Байкальском и др.), а также кимберлитовые трубки характеризуются присутствием признаков дегазации в виде восходящих глубинных газовых струй или даже "потоков". В их составе обязательным компонентом служит метан и его гомологи. Их содержание нередко превышает 80%. Дегазация в ряде случаев сопровождается нефтепроявлениями.

Флюидизирующие участки активизированных разломов в осадочном чехле имеют длину вдоль разлома 3 - 10 км, а ширину - 0,5 - 5,0 км [5].

Причем поступление флюидов носит цииклично-периодически волновой характер, то усиливаясь, то ослабевая, отражая тем самым геодинамические изменения, происходящие при взаимодействии геосфер. Первоочередно оно влияет на флюидный режим УВ-залежей, расположенных над активизированной зоной.

Дебиты УВ-газов в районах кристаллических древних щитов достигают колоссальных размеров (до 500 млн. м³/год на участке в несколько кв. км). Иногда скважины "протыкают" пузыревидные скопления их, находящиеся под аномально высоким давлением, объем в 100 и более тысяч м³ УВ-газов.

Таким образом, однозначно можно утверждать, что осадочный чехол лишь прикрывает полностью или частично подобные "потоки" УВ-флюидов. Причем их можно активизировать и направлять техногенным путем, с накоплением их в определенных коллекторах выработанных УВ-месторождений.

О механизме проведения камуфлетного взрыва для интенсификации добычи нефти или газоконденсата (пример конкретного выполнения)
1. Выбор места бурения скважины для заложения ядерного заряда определяют по положению нефтяного или газоконденсатного скопления (залежи) относительно глубинного разлома:
а) расположение над глубинным разломом;
б) расположение рядом с глубинным разломом (в оперяющей разлом зоне тектонической трещиноватости);
в) гипсометрическое расположение УВ-скопления в диапазоне 0,7 - 2,0 км глубин над кровлей фундамента от земной поверхности.

Скважина должна быть заложена в 0,5 - 1 км от УВ-скопления в зоне разлома или в его оперяющей трещиноватости.

2. Глубина заложения заряда в скважине должна быть такой, чтобы забой скважины находился на 0,5 - 1 км ниже кровли фундамента, что должно исключить выброс продуктов взрыва в атмосферу.

3. Величина (q) должна находиться в прямой зависимости от глубины расположения кровли фундамента в вышеуказанном диапазоне глубин. Для малых глубин q = 1,0 - 1,5 кт, для больших 3,0 - 4,0 кт.

4. Заложение пальцевидного заряда должно производиться при минимально возможном диаметре буровых обсадных труб для соответствующей глубины.

5. Управление взрывом должно производиться дистанционно при зацементированном устье скважины на глубину не менее 0,1 км.

6. За месяц до момента взрыва необходимо проведение газометрического контроля в зоне разлома вблизи скважины (1 раз в неделю). С той же периодичностью он должен быть повторен непосредственно после взрыва ежедневно в течение недели и в дальнейшем через неделю в течение месяца с определением газовых компонентов (УВ, He, Ra и др.).

Технико-экономическая эффективность изобретения.

В практическом отношении применение камуфлетного ядерного взрыва должно учитывать:
1. наличие признаков нефтегазоносности в исследуемом районе или регионе;
2. местонахождение глубинных разломом, их характеристику;
3. местоположение (интервал глубин, вмещающие породы, положение кровли фундамента) УВ-залежей, которые разрабатывались или разрабатываются;
4. характеристику вещественного состава УВ-залежи;
5. прямые признаки поступления УВ-флюидов из подстилающих залежь пород, в частности, фундамента;
6. реализуемую цель проведения взрыва: увеличение дебита УВ-продуктов посредством активизации эксплуатируемых скважин или создание нового УВ-скопления промышленного объема в пределах бывшего месторождения.

Исходя из этих данных возможно оценить необходимую величину заряда, а также место и глубину его заложения. По расчетам Мусинова В.И. [1], экономически выгоден камуфлетный взрыв, если он обеспечивает дополнительный прирост добычи нефти в 12 тонн условного топлива в сутки. Полученные натурные данные опытных взрывов подтвердили полную возможность такого прироста. Принимая во внимание стоимость ядерного устройства в 500 тыс. долларов, а обустройства скважин - в 2,5 млн. долларов, при средней стоимости 1-й тонны нефти - 300 долларов, за год можно получить дополнительно 3600 тонн условного топлива, что экономически достаточно эффективно с окупаемостью затрат за пять лет [1]. На сегодняшний день ликвидация ядерных запасов - актуальная задача и применение их в мирных целях вполне оправдано и экономически выгодно.

В экологическом отношении, когда взрыв производят на глубине 1000 и более метров, он безопасен, т. к. не вызывает отрицательных экологических последствий. Весь радиоактивный материал как продукт взрыва сосредотачивается в центральной камере, в оплавленном субстрате горной породы, превращенном в стекло. Поэтому взаимодействие подобного субстрата с подземными водами с учетом глубины очень слабое и не ведет к экологически опасным последствиям [4].

Таким образом, производя камуфлетный взрыв в пределах прикровельной зоны фундамента, мы получаем двойной эффект (экономический и экологический) в интенсификации добычи нефти и газа УВ-местрождения в вышележащем осадочном чехле. Во-первых, за счет активизации движения остаточных УВ в продуктивных пластах, что и являлось главной целью камуфлетных взрывов, производимых ранее. Во-вторых, благодаря вскрытию и расширению зон глубинной трещиноватости в фундаменте, способствующих усилению подтока ювенильных углеводородов в продуктивные пласты месторождения. В целом должен произойти процесс реанимации УВ-местрождения, который может иметь многолетнюю продолжительность.

Источники информации, принятые при экспертизе заявки:
1. В.И. Мусинов "Добыча нефти и газа с помощью ядерных взрывов", Журнал "Природа", 1991 г., 11, с. 25 - 33.

2. В.Н. Родионов и др. "Основы геомеханики", 1986 г.

3. О.С. Кочетков, Л.Н. Алисиевич, Г.М. Марченко "О применении камуфлетных подземных взрывов для интенсификации добычи углеводородов на "малоглубинных" месторождениях, Тез. докл. науч.-практ. конф. "Повышение эффективности разработки и эксплуатации газоконденсатных месторождений, решение проблем в транспорте газа", Ухта, 1998, с. 49 - 52.

4. Васильев А. П. , Приходько Н.К., Симоненко В.А. "Подземные ядерные взрывы для улучшения экологической обстановки", Журнал "Природа", 1991 г., N 2, с. 36 - 42.

5. Касьянова Н.А. "Отражение современной геодинамики земных недр во флюидном режиме нефтегазовых залежей платформенных областей. Мат. II межд. конф., "Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа", М., МГУ, 1998, с. 97 - 99.

Изобретение относится к области ядерной техники, в частности, с использованием ядерных взрывных устройств в мирных целях. Сущность изобретения: взрывы производят в зонах корово-мантийных разломов с известными углеводородными месторождениями в осадочном чехле. Заряды размещают в обязательном порядке в подстилающем фундаменте на глубине 2-3 км от земной поверхности. Размещение также производят в скважинах на уровне углеводородной залежи или непосредственно под ней. Технический результат: повышение добычи углеводородов. 1 ил.

Способ камуфлетных ядерных взрывов для интенсификации добычи нефти и газа на углеводородном месторождении в осадочном чехле, включающий размещение зарядов в скважинах на уровне углеводородной залежи или непосредственно под ней, отличающийся тем, что взрывы производят в зонах корово-мантийных разломов с известными углеводородными месторождениями в осадочном чехле, причем заряды размещают в обязательном порядке в подстилающем фундаменте на глубине 2-3 км от земной поверхности.