Область техники
Настоящее изобретение относится к области геофизической разведки, а более конкретно к сейсмическим способам и системам геофизической разведки для поисков нефти и газа, которые основаны на взрывном источнике сейсмических сигналов, который содержит окисляемое металлическое вещество.
Предшествующий уровень техники
Сейсмическая геофизическая разведка используется при поиске нефти и газа для картографирования следующего: стратиграфии подземных пластов, поперечного постоянства геологических пластов, местоположений заглубленных палеоканалов, местоположений сдвигов слоев осадочных пород и рельефа кровли фундамента. Такие карты готовят посредством анализа отражений и преломлений генерированных сейсмических волн, отраженных от границ между слоями подземного пласта.
Используют источник сейсмических сигналов для генерирования сейсмических волн, которые проходят через землю и отражаются различными подземными формациями к поверхности земли. Когда сейсмические волны достигают земной поверхности, они регистрируются группой сейсмических приемников, известных как геофоны, которые преобразуют зарегистрированные волны в соответствующие электрические сигналы. Электрические сигналы, генерированные такой группой, накапливают и анализируют для заключения о природе подземных формаций в данном месте.
Источники сейсмических сигналов, которые используются в способах геофизической разведки при поиске нефти и газа, включают ударные источники, пневматические источники, вибрационные источники и взрывы. Природа выходной сейсмической энергии зависит от типа источника сейсмических сигналов, который использовался для ее генерирования.
По существу, ударным источником является груз, ударяющий по поверхности земли непосредственно или по плите, размещенной на поверхности земли, выдавая сейсмическую энергию. Падающий груз представляет собой пример первого типа ударного источника. Хотя ударные источники относительно недороги и просты в работе и установке, их принципиальным недостатком является то, что они неэффективны для создания сейсмической энергии, пригодной для геофизической разведки глубоких пластов. Ударные источники формируют относительно высокую пропорцию поверхностных волн низкой частоты и создают меньше сейсмической энергии, чем другие источники сейсмической энергии.
Пневматические источники, как и ударные источники, преобразуют кинетическую энергию в сейсмическую энергию. Они основаны на быстром, мощном высвобождении заряда сжатого газа, обычно являющегося сжатым воздухом, из пневмопушки для генерирования сейсмических волн. Пневматические источники имеют преимущество перед ударными источниками, заключающееся в том, что они производят больше сейсмической энергии, чем это возможно с простыми ударными источниками. Сейсмические сигналы, генерируемые пневматическими источниками, также имеют более высокую частоту, чем создаваемые ударными источниками, и это способствует минимизации генерирования поверхностной волны и улучшению разрешающей способности. Однако оборудование пневматического источника более громоздко и дорого, чем оборудование простых ударных источников.
В качестве источников сейсмической энергии для геофизической разведки также используются вибрационные источники. Две категории вибрационных источников включают те, которые генерируют сейсмические волны, возникающие на поверхности, и те, которые генерируют сейсмические волны, испускаемые из скважины. Один гидромеханический вибрационный источник - передвижная вибросейсмическая станция Vibroseis truck - специально предназначена для размещения на большой платформе, в которой возбуждается вибрация. Эта вибрация в свою очередь создает сейсмические волны в подземной формации. Вибросейсмические станции Vibroseis truck широко использовались для геофизической разведки не только при поиске нефти и газа, но также для исследования эволюции и развития конкретных геологических структур (например. Скалистых гор) и линий разлома. Вибрационные источники производят интенсивно повторяющиеся сейсмические сигналы. Природа энергии, подаваемой в землю вибрационными источниками, ее количество, длительность и время подачи могут строго контролироваться, и, таким образом, генерируемая сейсмическая энергия может быть очень воспроизводимой, что является преимуществом. Однако вибрационные источники часто непригодны для использования на некоторых типах местности. Например, если грунт очень слабый, использовать передвижные вибросейсмические станции Vibroseis truck в качестве источника сейсмической энергии очень трудно.
Другой тип источника сейсмических сигналов, используемых при ведении геофизической разведки, основан на применении взрывчатых веществ. Взрывные источники сейсмических сигналов, используемые при поиске нефти и газа на суше, основаны на взрыве вещества, помещенного в подземную формацию для генерирования сейсмических волн. Обычно в грунте бурят скважину, в скважину помещают взрывчатое вещество и перед инициированием взрыва поверх взрывчатого вещества засыпают тампонажный материал. При сравнении по удельной эффективности с пневматическими источниками и ударными источниками, взрывные источники выдают в землю наивысшее количество энергии. Взрывные источники сейсмических сигналов, в настоящее время используемые при осуществлении геофизической разведки, обычно формируют волны очень высокой частоты. Их часто используют, когда состояние грунта таково, что оно не допускает эффективное использование ударных или пневматических источников, когда грунт очень слабый.
Многие взрывчатые вещества, используемые в качестве источников сейсмических сигналов, генерируют большие объемы газа. Это свойство полезно в горном деле для разрушения горных пород, но оно нежелательно при сейсмической разведке, поскольку снижает количество генерируемой полезной сейсмической энергии. Взрывчатые вещества, производящие большие объемы газа, вызывают потерю большого количества энергии взрыва, когда расширяющиеся газы вытесняют тампонажный материал вверх из скважины, в которую было помещено взрывчатое вещество. Таким образом, в подземную формацию передается меньше энергии, генерированной взрывом, чем было бы теоретически возможно, если бы меньше энергии терялось на расширение генерированных газов. Кроме того, мгновенное расширение большого объема газа может вызвать остаточную деформацию самой подземной формации.
Потребность в способах сейсмической разведки, которые обеспечивают генерирование более острых импульсов энергии, которые могут давать изображения большей разрешающей способности, привела к исключению генерирования сейсмических волн низкой частоты. Потеря волн низкой частоты подрывает возможность отображать более заглубленные объекты (например, >3 секунд). Хотя способ вибросейсмической разведки Vibroseis успешно использовался для съемки более заглубленных объектов, было трудно достигнуть результатов такого же качества с использованием взрывных источников сейсмических сигналов. Это представляет существенную проблему, когда существует необходимость съемки более глубоких подземных формаций, но состояние грунта непригодно для способа вибросейсмической разведки. В прошлом проблема решалась посредством бурения более глубоких скважин и использования большего количества взрывчатого вещества для достижения необходимых результатов в таких трудных для съемки местах. Более глубокое бурение и использование большего количества взрывчатого вещества существенно увеличивают стоимость подземной съемки определенного места.
Краткое изложение существа изобретения
Существует необходимость в сейсмических способах и системах геофизической разведки с использованием взрывчатых составов, которые преобразуют большую долю потенциальной энергии взрывчатого состава в сейсмическую энергию. Существует также необходимость в способах и системах, которые эффективно генерируют, когда необходимо, сейсмические волны низкой частоты. Кроме того, было бы предпочтительно иметь возможность использования менее глубоких скважин и меньшего количества взрывчатого вещества для достижения необходимого уровня разрешающей способности данных геофизической разведки.
Согласно настоящему изобретению разработаны сейсмические способы и системы геофизической разведки, которые хорошо приспособлены для поиска нефти и газа, но могли бы также использоваться и для других целей.
Одним аспектом настоящего изобретения является способ сейсмической разведки, который содержит операции генерирования сейсмических волн путем подрыва взрывчатого состава в подземной формации и регистрации сейсмических волн и/или их отражений сейсмическими детекторами. Взрывчатый состав, используемый согласно этому способу, содержит первое взрывчатое вещество и окисляемое металлическое вещество. Взрывчатый состав помещают в скважину в подземной формации и закрывают тампонажным материалом перед подрывом. Взрывчатый состав предпочтительно является безазотистым (например, содержание азота во взрывчатом составе составляет менее 1 вес.%, предпочтительно менее чем 0,1 вес.%).
В одном варианте осуществления изобретения первое взрывчатое вещество изготовляют посредством комбинирования твердых и жидких веществ, например, в пропорциях от 20 до 80% твердых веществ и от 20 до 80% жидких. В этом варианте предпочтительно комбинировать окисляемое металлическое вещество с твердыми веществами первого взрывчатого вещества.
Настоящее изобретение очень хорошо приспособлено для использования с первыми взрывчатыми веществами, которые содержат бинарное взрывчатое вещество (то есть два компонента, которые являются невзрывчатыми, пока не будут смешаны друг с другом). Например, бинарное взрывчатое вещество может содержать такие компоненты, как органическое топливо и окислитель. Таким образом, органический топливный компонент и окисляющий компонент можно транспортировать отдельно и смешивать на месте, уменьшая риск преждевременного взрыва. Этот вариант осуществления изобретения может быть еще безопаснее посредством регулирования времени приведения бинарного взрывчатого вещества в готовность к взрыву. Это осуществляют посредством регулирования весового соотношения окисляющего компонента и органического топливного компонента. Таким образом, время приведения в готовность к взрыву может быть увеличено, при этом скомбинированное вещество будет невзрывчатым в течение определенного периода времени после смешивания, что позволяет помещать комбинированное вещество в скважину и накрывать его тампонажным материалом до того, как состав достигнет взрывчатого состояния.
Примеры пригодных органических топливных компонентов включают диэтиленгликоль, этиленгликоль, пропиленгликоль и глицерин. Другие пригодные органические топливные компоненты включают тринитротолуол, динитротолуол, нитрамины, пентаэритритолтетранитрат, нитрокрахмал, нитроцеллюлозу, бездымные пороха, гликолевые эфиры, ацетаты гликолевых эфиров, формамиды, алканы, полиспирты и одноатомные спирты низкой молекулярной массы. Нитрамины представляют собой группу органических топливных компонентов, содержащую, например, циклотриметилентринитрамин (RDX, также известный как гексагидро-1,3,5-тринитро-1,3,5-триазин) и циклотетраметилентетранитрамин (НМХ, также известный как 1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетраазациклооктан). Однако безазотистые составы предпочтительны.
Примеры пригодных окисляющих компонентов включают нитраты аммония, нитраты щелочных металлов, нитраты щелочноземельных металлов, перхлораты аммония, перхлораты щелочных металлов, перхлораты щелочноземельных металлов, хлораты аммония, хлораты щелочных металлов, хлораты щелочноземельных металлов и их гидраты. Особенно предпочтительные окисляющие компоненты включают перхлорат натрия, перхлорат аммония, перхлорат калия, хлорат калия, нитрат аммония, нитрат калия и гидрат перхлората лития.
В одном варианте осуществления изобретения, органический топливный компонент жидкий, и окисляющий компонент твердый. Предпочтительно, чтобы органический топливный компонент имел состав, который не замерзает при температуре, составляющей до -45°С. Например, жидкий органический топливный компонент может содержать одно или более из таких веществ, как этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, формамид, метанол и моноэтиловый эфир.
Предпочтительно взрывчатый состав содержит от около 0,5 до 50 вес.% окисляемого металлического вещества, более предпочтительно около 10-30 вес.% окисляемого металлического вещества. Особенно предпочтительные окисляемые металлические вещества включают алюминий, магний, бор, кальций, железо, цинк, цирконий, кремний, ферросилиций, феррофосфор, гидрид литля, алюмогидрид лития и смеси или сплавы таких металлических соединений. Одним примером пригодных окисляемых металлических веществ являются металлические частицы. При необходимости металлическая частица может быть покрыта, например, по меньшей мере жирной кислотой или ее солью. Наличие жирной кислоты может предотвращать преждевременное окисление металлического вещества. В этом отношении полезно покрывать окисляемое металлическое вещество жирной кислотой. Особенно предпочтительна для этой цели стеариновая кислота. Кроме того, можно обрабатывать металлическую частицу дихроматом. Предпочтительно металлическая частица имеет средний размер, составляющий менее 100 мкм. Более предпочтительно металлическая частица имеет средний размер менее 50 мкм, наиболее предпочтительно от около 10 мкм до около 20 мкм. Предпочтительно металлической частицей является алюминиевая частица.
В одном варианте осуществления изобретения взрывчатый состав является саморазряжающимся (то есть становится невзрывчатым после определенного периода времени). Этого можно достигнуть посредством использования первого взрывчатого вещества, которое растворимо в воде. Для этого первое взрывчатое вещество помещают в контейнер, который первоначально водонепроницаем, но впоследствии допускает проникновение воды. В результате состав первоначально является взрывчатым, но если по какой-то причине он не был взорван в течение необходимого периода времени (например, в течение трех месяцев), вода начинает поступать в контейнер и растворять первое взрывчатое вещество, делая, в конечном итоге, состав невзрывчатым (то есть разряженным).
Одним конкретным аспектом изобретения является способ сейсмической разведки, содержащий операции генерирования сейсмических волн посредством подрыва взрывчатого состава в подземной формации, причем взрывчатый состав содержит перхлорат щелочного металла, гликоль и измельченный алюминий, и регистрации сейсмических волн и/или их отражений сейсмическими детекторами.
Другим аспектом изобретения является система геофизической разведки, содержащая источник сейсмических сигналов, который содержит первое взрывчатое вещество и окисляемое металлическое вещество, как описано выше, при этом источник сейсмических сигналов располагается в подземной формации. Система также включает множество сейсмических детекторов для регистрации сейсмических волн, генерируемых при взрыве источника сейсмических сигналов, и отражений этих волн. Сейсмические детекторы формируют электрический сигнал, представляющий сейсмические волны и отражения сейсмических волн, которые они регистрируют. Система может также содержать систему сбора и обработки данных, которая сообщается с сейсмическими детекторами, например, при помощи электрических кабелей передачи данных или беспроводных средств передачи данных. Система сбора и обработки данных может производить выборку электрических сигналов, генерированных сейсмическими детекторами, и производить представляющие их данные, например, посредством выборки и суммирования накопленных данных.
Настоящее изобретение представляет собой способ сейсмической разведки и систему геофизической разведки, содержащую взрывной источник сейсмических сигналов, поскольку используется взрывчатый состав, который производит больше сейсмической энергии и меньший объем газа. В частности, ожидается, что по меньшей мере часть вариантов осуществления настоящего изобретения будет выдавать по меньшей мере на 35% больше сейсмической энергии на единицу массы взрывчатого состава, чем генерируют известные взрывные источники сейсмических сигналов, при уменьшении объема производимого газа приблизительно на 45%. Использование взрывчатого состава, содержащего окисляемое металлическое вещество, также способствует генерированию, при необходимости, сейсмических волн низкой частоты. Кроме того, не будет требоваться бурения такой глубокой скважины, в которую помещают взрывчатый состав, или будет требоваться меньше взрывчатого вещества по сравнению с известными способами, что, таким образом, сокращает расходы.
Другой аспект настоящего изобретения касается получения способа получения взрывчатого состава. Способ содержит следующие операции: изготовление твердого компонента, который содержит окисляемое металлическое вещество и твердый окисляющий компонент, изготовление жидкого компонента, который содержит по меньшей мере одну жидкость из группы, состоящей из жидких органических топливных компонентов и жидких окисляющих компонентов, и комбинирование твердого компонента и жидкого компонента для получения взрывчатого состава.
Окисляемое металлическое вещество взрывчатого состава соответствует описанному выше. Твердый окисляющий компонент содержит по меньшей мере один из окисляющих компонентов, описанных выше. Твердый компонент может также содержать по меньшей мере одно твердое вещество, подобранное из группы, состоящей из твердых органических топливных компонентов и твердых добавок. Примерами твердых органических топливных компонентов, которые могли бы использоваться, являются тринитротолуол, динитротолуол, нитрамины, пентаэритритолтетранитрат, нитрокрахмал, нитроцеллюлоза и бездымные пороха.
Жидкий органический топливный компонент содержит по меньшей мере одну жидкость из описанной выше группы органических топливных компонентов, но может также содержать воду. Жидкий окисляющий компонент содержит по меньшей мере один водный или неводный раствор описанных выше окисляющих компонентов.
Операция комбинирования может осуществляться на месте, где должен быть взорван взрывчатый состав, или вблизи этого места. Жидкий компонент и твердый компонент могут комбинироваться внутри контейнера для кумулятивного заряда или, в альтернативном варианте, жидкий компонент и твердый компонент можно комбинировать в первом контейнере и затем перекладывать в контейнер для кумулятивного заряда. Как жидкий компонент, так и твердый компонент могут быть невзрывчатыми веществами, пока они не скомбинированы, и твердый и жидкий компоненты можно транспортировать к месту, где взрывчатый состав должен быть взорван, до того, как компоненты скомбинированы. Взрывчатый состав может быть саморазряжающимся, и время его пребывания в состоянии готовности к взрыву может регулироваться.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является то, что взрывчатые составы, используемые при осуществлении сейсмических способов и в системах геофизической разведки, могут конфигурироваться для придания направленности распространяющейся сейсмической энергии. Кроме того, по меньшей мере в части предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения компоненты взрывчатого состава транспортируют отдельно, как невзрывчатые вещества, к месту геофизической разведки, где их смешивают для получения взрывчатого состава. Это снижает риск поражения вследствие преждевременного взрыва. В одном из вариантов осуществления изобретения после смешивания компонентов на месте взрывчатое вещество не становится готовым к взрыву, пока его твердый компонент не станет гидратированным в результате постепенной диффузии воды в твердые частицы после смешивания твердого и жидкого компонентов. Это делает состав еще более безопасным в использовании благодаря тому, что взрывчатое вещество не будет приведено в состояние готовности к взрыву, пока оно не будет закопано в грунт.
Краткое описание чертежа
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающий чертеж, на котором изображена система сейсмической разведки, согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Согласно изобретению обеспечивается получение средства генерирования сейсмических волн посредством использования взрывного источника сейсмических сигналов. Взрывчатый состав содержит первое взрывчатое вещество и окисляемое металлическое вещество.
Предпочтительно, чтобы взрывчатый состав был по существу безазотистым. Предпочтительно взрывчатый состав содержит менее 1 вес.% азота, более предпочтительно менее 0,1 вес.%, наиболее предпочтительно менее 0,001 вес.%. Подрыв азотсодержащих взрывчатых составов может вносить загрязнение в окружающую среду, поскольку происходит выброс окислов азота в воздух и нитратов в окружающую воду или землю. Такие выбросы регулируются федеральными и местными природоохранительными законодательствами. Благодаря подбору компонентов для взрывчатого состава из веществ, не содержащих азот, выбросы азота могут быть минимизированы.
Пригодные примеры первых взрывчатых веществ включают тринитротолуол, динитротолуол, нитрамины, пентаэритритолтетранитрат, нитрокрахмал, нитроцеллюлозу, бездымные пороха, гликолевые эфиры, ацетаты гликолевых эфиров, формамиды, алканы, полиспирты и одноатомные спирты низкой молекулярной массы. Также могут использоваться другие альдегиды, кетоны, амины, амиды и аминоспирты, имеющие взрывчатые свойства. Как отмечалось выше, согласно изобретению особенно предпочтительны взрывчатые вещества, не содержащие азота. Примеры одноатомных спиртов низкой молекулярной массы, которые можно использовать в качестве первого взрывчатого вещества, включают метанол, этанол и изопропиловый спирт. Более предпочтительно первое взрывчатое вещество содержит по меньшей мере один гликоль, такой как диэтиленгликоль, этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин или смесь одного или более из них.
В одном варианте осуществления изобретения первое взрывчатое ведество содержит жидкий компонент и твердый компонент. Один или оба эти компонента могут быть сами по себе взрывчатым веществом. Для первого взрывчатого вещества желательно, чтобы оно содержало от около 20 до 80 вес.% твердых частиц и от около 20 до 80 вес.% жидкостей, более предпочтительно от около 65 до 85 вес.% твердых частиц и от около 15 до 35% жидкостей. Предпочтительно, чтобы окисляемое металлическое вещество было скомбинировано с твердыми частицами первого взрывчатого вещества.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения первое взрывчатое вещество содержит бинарное взрывчатое вещество, состоящее из по меньшей мере двух компонентов (например, из одного жидкого и одного твердого), которые можно транспортировать отдельно и смешивать на месте. Более предпочтительно, чтобы отдельные компоненты бинарного взрывчатого вещества классифицировались как невзрывчатые вещества, пригодные для транспортировки по всему миру. Предпочтительно частоту смешивания на месте применения регулируют для соответствия требованиям условий бурения и закладки таким образом, чтобы взрывчатый состав был приготовлен, когда он необходим, и чтобы приготовленное количество не превышало то, которое будет использовано в этот день.
Бинарное взрывчатое вещество содержит органический топливный компонент и окисляющий компонент. Примеры органических топливных компонентов включают диэтиленгликоль, этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин и их смеси. Примеры окисляющих компонентов, которые часто будут твердыми веществами, включают нитраты аммония, нитраты щелочных металлов, нитраты щелочноземельных металлов, перхлораты аммония, перхлораты щелочноземельных металлов, хлораты аммония, хлораты щелочных металлов, хлораты щелочноземельных металлов, гидраты любых этих веществ и смеси любого одного или более из этих веществ. Более предпочтительно окисляющий компонент содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, состоящей из перхлората натрия, перхлората аммония, нитрата аммония, нитрата калия, перхлората калия, хлората калия и гидрата перхлората лития. Наиболее предпочтительно окисляющий компонент содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, состоящей из перхлората натрия, перхлората калия, хлората калия и гидрата перхлората лития.
Использование бинарного взрывчатого вещества дает преимущества, заключающиеся в регулировании времени приведения в готовность к взрыву первого взрывчатого вещества, например, для того, чтобы бинарное взрывчатое вещество достигало состояния готовности к взрыву почти сразу после смешивания отдельных компонентов или, наоборот, требовалось некоторое время для приведения в состояние готовности к взрыву. Это можно осуществлять посредством регулирования весового соотношения окисляющего компонента и органического топливного компонента. Например, если первое взрывчатое вещество содержит 20 вес.% диэтиленгликоля и 80 вес.% перхлората натрия, требуется около двух часов после их смешивания для того, чтобы первое взрывчатое вещество было приведено в готовность к взрыву. Используемое здесь понятие "готовность к взрыву" означает, что вещество может успешно детонировать. Если необходимо, чтобы первое взрывчатое вещество было приведено в готовность к взрыву только после прохождения периода времени, превышающего два часа, пропорция диэтиленгликоля во взрывчатом веществе будет снижена соответственно.
Поскольку взрывчатые составы, соответствующие настоящему изобретению, будут использоваться в изменяющихся климатических условиях, включая условия окружающей среды с очень низкими температурами (например, на Аляске), полезно, чтобы состав был устойчив к замерзанию по меньшей мере при температурах, составляющих до около -32°С и более предпочтительно до около -45°С. Это можно достичь, согласно настоящему изобретению, посредством использования в качестве первого взрывчатого вещества бинарного взрывчатого вещества, в котором органическим топливом является жидкость, и окисляющим компонентом является твердое вещество, при этом жидкий органический топливный компонент не замерзает при температурах до около -32°С и более предпочтительно до около -45°С. Примеры жидких органических топливных компонентов, которые имеют эту характеристику, включают этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, формамид, метанол, моноэтиловый эфир или смеси одного или более из этих составов. Также могут использоваться многие другие органические топлива, которые тоже могли бы действовать в качестве пластификатора. Все эти вещества являются пластифицирующими добавками, которые способствуют поддержанию жидкого состояния жидкости при температурах от около 25°С до -32°С и более предпочтительно от около 50°С до -45°С.
Предпочтительно окисляемое металлическое вещество содержит по меньшей мере одно вещество, подобранное из группы, состоящей из алюминия, магния, бора, кальция, железа, цинка, циркония, кремния, ферросилиция, феррофосфора, гидрида лития, алюмогидрида лития и их смесей. Могут также использоваться соединения и сплавы таких металлов. Более предпочтительно окисляемое металлическое вещество содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, состоящей из алюминия, магния, бора, кальция, железа, цинка, гидрида лития и алюмогидрида лития.
Более предпочтительно окисляемым металлическим веществом является алюминий.
Присутствие окисляемого металла во взрывчатом составе будет повышать генерируемую энергию, уменьшать объем производимого газа и уменьшать скорость детонации. В целом, чем выше содержание металла во взрывчатом составе, тем ниже скорость детонации. Посредством поддержания выделения более высокой незатухающей энергии могут генерироваться сейсмические волны меньшей частоты и большей амплитуды, что обеспечивает лучшее проникновение в подземную формацию. Интенсивность выделения энергии при взрыве такого состава будет зависеть от размера частиц окисляемого металлического вещества.
Предпочтительно окисляемое металлическое вещество содержит от около 0,5 до 50 вес.% от описанного взрывчатого состава, более предпочтительно от около 5 до 50 вес.% и наиболее предпочтительно около 10-30 вес.%. Изменение весового процентного содержания окисляемого металлического вещества во взрывчатом составе и размера частиц окисляемого металлического вещества будет изменять плотность состава.
Предпочтительно окисляемое металлическое вещество состоит из металлических частиц. В альтернативном варианте металлическое вещество может быть в форме одной или более полос, которые входят в контакт с первым взрывчатым веществом (например, множества полос, которые расположены в массе взрывчатого материала). Также может использоваться металлическая оболочка или контейнер, по меньшей мере частично окружающий или охватывающий первое взрывчатое вещество.
Когда окисляемый металл используют в форме частиц, предпочтительно, чтобы средний размер частиц составлял 100 мкм. Более предпочтительно, чтобы средний размер металлических частиц составлял менее 50 мкм и наиболее предпочтительно от около 10 мкм до около 20 мкм. Предпочтительно частицами металла являются алюминиевые частицы.
Для предотвращения преждевременной реакции окисляемого металлического вещества его поверхность может быть защищена покрытием. Примеры таких покрытий включают окислы и дихромат. В наиболее предпочтительном варианте поверхность окисляемого металлического вещества покрывают веществом, содержащим жирную кислоту или ее соль. Пригодные жирные кислоты включают кислоты, имеющие от 8 до 22 атомов углерода, более предпочтительно от 16 до 18 атомов углерода. Конкретные примеры жирных кислот, которые можно использовать, включают:
насыщенные кислоты с неразветвленной цепью: каприловую кислоту; пеларгоновую кислоту; каприновую кислоту; ундециловую кислоту; лауриновую кислоту; трикаприновую кислоту; миристиновую кислоту; пентакаприновую кислоту; пальмитиновую кислоту; маргариновую кислоту; стеариновую кислоту; нонкаприновую кислоту; архаиновую кислоту; генейкозановую кислоту; бегеновую кислоту;
насыщенные кислоты с разветвленной цепью: 2-этилгексановую кислоту; ненасыщенные кислоты: 10-ундециленовую кислоту; петроселеновую кислоту; олеиновую кислоту; элаидиновую кислоту; вакценовую кислоту; эруковую кислоту; брассединовую кислоту; линолевую кислоту; линолелаидиновую кислоту; линоленовую кислоту; элаидинолиноленовую кислоту; псевдоэлиостеариновую кислоту; элеостеариновую кислоту; арахидоновую кислоту.
Могут также использоваться смеси двух или более любых этих жирных кислот. Из перечисленных выше жирных кислот особенно предпочтительны олеиновая кислота и стеариновая кислота и смеси жирных кислот, которые содержат олеиновую, стеариновую, линолевую и пальмитиновую кислоты. Наиболее предпочтительно покрывать поверхность окисляемого металлического вещества стеариновой кислотой.
Взрывчатый состав может также содержать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из воды, эмульгаторов, растворителей, связующих веществ, загустителей, гелеобразующих веществ, сшивающих веществ, газообразующих агентов, стеклянных и пластмассовых микрошариков (например, небольших пустотелых сфер) и наполнителей. Количества и типы добавленных материалов могут изменяться для регулирования плотности взрывчатого состава. Изменение плотности взрывчатого состава влияет на детонационную способность состава и характер ударной волны, генерируемой при взрыве. Предпочтительно плотность взрывчатого состава находится в диапазоне от около 1,6 г/см3 до 1,9 г/см3. Регулирование плотности необходимо, когда принимают во внимание уровень содержания окисляемого металлического вещества во взрывчатом составе, первоначальную температуру взрывчатого вещества перед детонацией и тип выходной сейсмической энергии, которая должна быть генерирована. Эмульгаторы, растворители, связующие вещества, загустители, гелеобразующие вещества и сшивающие агенты могут содействовать поддержанию равномерного распределения компонентов во взрывчатом составе, что может быть важным для надлежащего развития взрыва.
На чертеже показана система геофизической разведки, соответствующая настоящему изобретению. От поверхности 12 земли пробурена проходящая в подземную формацию 14 скважина 10. Эта скважина в типичном случае имеет глубину около 5-150 футов. В скважину помещают описанный выше взрывчатый состав. Обычно взрывчатый состав заключен в емкость или контейнер 16. Контейнер выполнен из формованной пластмассы или из окисляемого металлического вещества. Взрывчатый состав можно транспортировать в контейнере. Также можно транспортировать компоненты отдельно в других контейнерах, заливать их в контейнер 16 на месте применения и смешивать как требуется перед (или после) закупориванием контейнера (например, посредством защелкивания или завинчивания верхней крышки на цилиндрической емкости). Детонационное средство 18, такое как взрыватель, обычно вставляют в контейнер 16 и соединяют проводом или кабелем с источником электроэнергии (не показан), который может инициировать взрыв. Обычно поверх контейнера 16 для взрывчатого вещества помешают тампонажный материал 20 для направления энергии взрыва в максимально возможной степени в грунт, а не вверх по скважине.
В различных точках на поверхности 12 земли располагают множество геофонов 22 и соединяют кабелями 24 с системой 26 сбора и обработки данных, которая содержит компьютер. Пригодные системы сбора и обработки данных, геофоны и способы их размещения и работы хорошо известны специалистам в области сейсмической разведки. Когда расположенный в скважине состав взрывается, через подземную формацию распространяются сейсмические волны. Группа геофонов и система сбора и обработки данных регистрируют сейсмические волны и/или их отражения и обрабатывают данные, придавая им форму, которую можно расшифровать. В частности, геофоны преобразуют зарегистрированные сейсмические волны и отражения сейсмических волн в электрические сигналы. Система сбора и обработки данных производит выборку электрических сигналов, генерированных геофонами, и формирует данные.
С точки зрения безопасности предпочтительно, чтобы взрывчатый состав был саморазряжающимся таким образом, чтобы первое взрывчатое вещество становилось невзрывчатым после того, как оно остается в скважине в течение минимального периода времени. Этого можно достигнуть посредством использования растворимого в воде первого взрывчатого вещества и помещения его в контейнер, такой как цилиндрический контейнер с цилиндрической крышкой, которая защелкивается или навинчивается на большую часть контейнера. Первоначально контейнер водонепроницаем, не он выполнен так, чтобы водонепроницаемость нарушалась по истечении заданного периода времени на заданной глубине в грунте (например, в течение трех месяцев на глубине 60 футов от поверхности земли), позволяя грунтовой воде просачиваться внутрь контейнера и растворять взрывчатое вещество, переводя его в невзрывчатую форму. Например, дно контейнера может содержать металлический диск, имеющий заданную толщину. Металл диска может постепенно корродировать при вхождении в контакт с грунтовой водой и в результате коррозии может пропускать грунтовую воду в контейнер. Увеличение толщины диска может увеличивать время, необходимое для возникновения протечки.
Другой аспект настоящего изобретения направлен на способ получения взрывчатого состава. Такой способ содержит операции изготовления твердого компонента, содержащего окисляемое металлическое вещество и твердый окисляющий компонент, изготовления жидкого компонента, который содержит по меньшей мере одну жидкость из группы, состоящей из жидких органических топливных компонентов и жидких окисляющих компонентов, и комбинирования твердого компонента и жидкого компонента для получения взрывчатого состава.
Изготовление твердого компонента включает комбинирование окисляемого металлического вещества и твердого окисляющего компонента. В результате комбинирования получают смесь, в которой компоненты распределены относительно равномерно. Предпочтительно окисляемое металлическое вещество взрывчатого состава является веществом, описанным выше. Поскольку окисляемое металлическое вещество, которое содержит твердый компонент, является твердым в виде твердых частиц, оно может быть покрыто нетвердым материалом, таким как жидкость или гель, для предотвращения преждевременного окисления окисляемого металлического вещества. Нетвердые покрывающие материалы для окисляющегося металла, а также твердые покрывающие материалы для окисляющегося металла описаны выше.
Твердый окисляющий компонент содержит по меньшей мере одно твердое вещество, выбранное из описанных выше окисляющих компонентов.
В дополнение к окисляемому металлическому веществу и твердому окисляющему компоненту твердый компонент может также содержать по меньшей мере одно твердое вещество, выбранное из группы, состоящей из твердых органических топливных компонентов и твердых добавок. По меньшей мере один твердый органический топливный компонент выбирают из группы, состоящей из тринитротолуола, динитротолуола, нитраминов, пентаэритритолтетранитрата, нитрокрахмала, нитроцеллюлозы и бездымных порохов.
Добавки, которые могут входить во взрывчатый состав, включают эмульгаторы, растворители, связующие вещества, загустители, гелеобразующие вещества, сшивающие вещества, газообразующие агенты, стеклянные и пластмассовые микрошарики (например, небольшие пустотелые сферы) и наполнители. Некоторые из этих добавок используют в виде твердых веществ, а другие не твердые.
Жидкий компонент содержит по меньшей мере одну жидкость, выбранную из группы, состоящей из жидких органических топливных компонентов и жидких окисляющих компонентов. Жидкий компонент содержит по меньшей мере один жидкий органический топливный компонент. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один из жидких органических топливных компонентов содержал жидкость из группы органических топливных компонентов, описанных выше. Жидкий компонент может также содержать воду. Жидкий окисляющий компонент может содержать водный или неводный раствор по меньшей мере одного из окисляющих компонентов, описанных выше. Неводные растворы могут быть получены с использованием спиртов в качестве растворителей таких, как метанол.
Предпочтительно, чтобы комбинирование осуществлялось на месте (или в непосредственной близости), где должен быть взорван взрывчатый состав. Также предпочтительно, чтобы жидкий компонент и твердый компонент были невзрывчатыми, пока они не будут скомбинированы, что позволяет транспортировать жидкий компонент и твердый компонент как невзрывчатые материалы к месту, где должен быть взорван взрывчатый состав.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является то, что взрывчатые составы могут быть конфигурированы для придания направленности выделяемой энергии при взрыве. В качестве примеров могут использоваться кумулятивные заряды для повышения качества сейсмических сигналов, генерируемых для осуществления геофизической разведки, или они могут использоваться для перфорирования обсадных колонн скважин в определенном направлении. Когда взрывчатый состав предназначен для использования в форме кумулятивного заряда, жидкий компонент и твердый компонент можно комбинировать в первом контейнере и затем помещать в контейнер для кумулятивного заряда, но более предпочтительно комбинировать жидкий компонент и твердый компонент внутри контейнера для кумулятивного заряда. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения твердый компонент изготовляют в контейнере для кумулятивного заряда и после этого добавляют к нему жидкий компонент и комбинируют с ним.
Предпочтительно, чтобы взрывчатый состав, полученный с использованием этого способа, был саморазряжающимся. Это может быть достигнуто посредством изготовления растворимого в воде взрывчатого вещества таким образом, чтобы взрывчатый состав становился невзрывчатым после просачивания в него избыточного количества воды. Если, например, взрывчатый состав помещают в скважину, предпочтительно, чтобы он становился невзрывчатым после пребывания в скважине в течение определенного периода времени. Такое саморазряжание может достигаться посредством получения растворимого в воде взрывчатого состава, изготовленного этим способом, и помещения его в контейнер, приспособленный для проникновения в него воды по истечении минимального периода времени. Такой контейнер описан выше.
Взрывчатый состав, изготовленный этим способом, содержит от около 20 до 80 вес.% твердого компонента и от около 20 до 80 вес.% жидкого компонента. Кроме того, в некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения время приведения в готовность к взрыву взрывчатого состава может регулироваться посредством регулирования весового соотношения твердого компонента и жидкого компонента.
Нижеследующий пример приведен для иллюстрации конкретного варианта осуществления изобретения. Следует понимать, что способ, описанный в этом примере, представляет собой способ предпочтительного варианта осуществления изобретения. Однако следует понимать, что в описанные конкретные варианты могут быть внесены изменения.
Пример 1
Было осуществлено 128 испытательных взрывов для генерирования сейсмических волн в подземной формации, где нельзя было использовать вибросейсмический источник сейсмических сигналов Vibroseis. Сейсмические волны, генерированные этими взрывами, и их отражения от подземных формаций регистрировались геофонами и преобразовывались в электрические сигналы. Электрические сигналы анализировались для определения, какие взрывы дали наибольшее количество информации для картирования с наивысшей разрешающей способностью.
Были осуществлены 32 группы испытательных взрывов. Каждая группа состояла из четырех испытательных взрывов, по одному испытательному взрыву с каждым из четырех разных взрывчатых веществ. Одним из четырех использованных взрывчатых веществ было высокоэнергетическое отлитое в расплавленном состоянии взрывчатое вещество (НЕМСЕ), соответствующее настоящему изобретение. НЕМСЕ состояло из 20 вес.% частиц алюминия (со средним размером частиц около 20 мкм) и 80 вес.% первого взрывчатого вещества, состоявшего из 30 вес.% диэтиленгликоля и 70 вес.% перхлората аммония. Другие испытанные взрывчатые вещества включали: Dynoseis (поставляемое на рынок компанией Dyno Nobel), Dyno АР (поставляемое на рынок компанией Dyno Nobel) и Iremite TX (поставляемое на рынок компанией Dyno Nobel). Dynoseis и Dyno АР являются взрывчатыми веществами, используемыми в настоящее время в качестве взрывных источников сейсмических сигналов для поиска нефти и газа. Dynoseis содержит 30 вес.% диэтиленгликоля и 70 вес.% перхлората аммония, но не содержит какого-либо окисляемого металлического вещества. Dyno АР содержит перхлорат аммония. Iremite TX - это эмульсионное взрывчатое вещество, которое не использовалось для поиска нефти - и газа. Это траншейное взрывчатое вещество на основе нитрата алюминия, обычно используемое в горном деле, и содержащее около 8 вес.% алюминия.
Группы испытательных взрывов с использованием четырех разных взрывчатых веществ осуществлялись как в односкважинном, так и двухскважинном варианте. В грунте были пробурены одна или две скважины, и в них закладывали взрывчатые вещества. Двухскважинные испытательные варианты использовались только с глубиной скважины 10 футов с 1,5 фунта взрывчатого вещества на скважину. Испытательные взрывы осуществлялись с 1,5; 3; 4,5; 6; 9 и 12 фунтами каждого типа взрывчатого вещества. Испытательные взрывы с 1,5 фунта взрывчатого вещества осуществлялись на глубинах 10 (4 комплекта двухскважинных вариантов) и 20 футов (4 комплекта односкважинных вариантов). Одиночные испытательные взрывы с использованием 3 фунтов взрывчатого вещества осуществлялись на глубинах 20 (4 комплекта), 40 (2 комплекта) и 60 футов (2 комплекта). Заряды по 4,5 фунта взрывчатого вещества испытывались в односкважинном варианте на глубине 40 футов (2 комплекта). Заряды по 6 фунтов разных взрывчатых веществ были подорваны на глубинах 40 (2 комплекта), 60 (2 комплекта), 80 (2 комплекта) и 100 футов (2 комплекта) в одиночных скважинах в подземной формации. Испытания зарядов по 9 фунтов каждого взрывчатого вещества были осуществлены на глубинах 80 (2 комплекта) и 100 футов (2 комплекта). Испытания зарядов по 12 фунтов взрывчатого вещества проводились только в одиночных скважинах глубиной 100 футов (2 комплекта).
Усредненные результаты 132 осуществленных испытательных взрывов приведены в таблице.
Из таблицы следует, что НЕМСЕ выдает по меньшей мере на 35% больше сейсмической энергии, чем любое другое из испытанных взрывчатых веществ. Кроме того, испытания показали, что разрешающая способность данных, накопленных с использованием 4,5 фунтов НЕМСЕ в качестве взрывного источника сейсмических сигналов, была сравнима с разрешающей способностью данных, накопленных с использованием 6 фунтов Dynoseis в качестве взрывного источника сейсмических сигналов. Кроме того, были отмечены небольшие (или не были отмечены) улучшения разрешающей способности накопленных данных при сравнении источников сейсмических сигналов, состоявших из зарядов НЕМСЕ одного и того же веса, взорванных в скважинах на глубинах 60, 80 и 100 футов, что означает, что НЕМСЕ может использоваться в менее глубоких скважинах без ухудшения результатов. Результаты испытаний показывают, что использование НЕМСЕ обеспечивает лучшее проникновение, чем достигаемое с использованием стандартных доступных на рынке взрывчатых веществ.
Группа изобретений относится к области геофизической разведки для поисков нефти и газа. Изобретения основаны на взрывном источнике сейсмических сигналов, который содержит окисляемое металлическое вещество. Сейсмический способ заключается в том, что генерируют сейсмические волны посредством подрыва взрывчатого состава в подземной формации. Взрывчатый состав содержит первое взрывчатое вещество и окисляемое металлическое вещество. Регистрируют сейсмические волны и/или их отражения сейсмическими детекторами. Системы геофизической разведки содержат источник сейсмических сигналов, содержащий первое взрывчатое вещество и окисляемое металлическое вещество. Источник сейсмических сигналов расположен в подземной формации. Множество сейсмических детекторов предназначены для регистрации сейсмических волн, генерированных при взрыве источника сейсмических сигналов, и отражений этих волн. Также описан способ получения взрывчатого состава. Технический результат - повышение эффективности генерации сейсмических волн низкой частоты, использование менее глубоких скважин и меньшего количества взрывчатого вещества для достижения необходимого уровня разрешающей способности данных геофизической разведки. 4 н. и 82 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
органический топливный компонент и окисляющий компонент транспортируются отдельно и смешиваются на месте.
| US 3802534 А, 09.04.1974 | |||
| US 3496040 А, 17.02.1970 | |||
| US 5527491 А, 18.06.1996 | |||
| US 3431848 А, 11.03.1969 | |||
| US 3297502 А, 10.01.1967 | |||
| US 5000803 А, 19.03.1991 | |||
| US 3948177 А, 06.04.1976 | |||
| Способ сейсмической разведки | 1979 |
|
SU894633A1 |
