Патент на изобретение №2191889
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ
(57) Реферат: Использование: в нефтяной, газовой и угольной промышленности при добыче углеводородов на разных стадиях разработки месторождений. Обеспечивает повышение эффективности разработки месторождений на различных стадиях их эксплуатации и увеличение извлекаемых запасов углеводородов и повышение безопасности. Сущность изобретения: способ включает бурение скважин, отбор из них углеводородов, направленное воздействие на зону нефтегазонакопления и/или месторождение упругими волнами от источника колебаний. Перед началом воздействия по дистанционным и геолого-геофизическим данным строят геодинамическую модель зоны нефтегазонакопления и/или месторождения. Выделяют на ней кольцевые и блоковые структуры, парагенетически связанные с ловушками углеводородов. Определяют современное напряженно-деформационное состояние пород и его влияние на коллекторские свойства. Определяют зону современного аномального напряженно-деформационного состояния горных пород кольцевых и/или блоковых структур и центр этой зоны. Устанавливают над ним на дневной поверхности либо на дне акватории источник колебаний и воздействуют упругими волнами. 11 з.п. ф-лы, 5 ил. Изобретение относится к области нефтяной, газовой и угольной промышленности и может быть использовано при добыче углеводородов на разных стадиях разработки месторождений. Известен способ разработки газоконденсатной, нефтяной или нефтегазоконденсатной залежи (патент РФ 2061845, кл. Е 21 В 43/00, 43/24, 1996), предусматривающий направленное воздействие в зону газоводяного или нефтеводяного контактов, в том числе с использованием поверхностного источника колебаний. При этом выделяющийся газ поступает в вышезалегающий продуктивный пласт и вытесняет из него нефть. Недостатком способа является неучет геологических, тектонических, геодинамических особенностей залежи и окружающей ее геосреды, что снижает эффективность способа. Известен способ добычи (сбора) каменноугольного газа в угольных шахтах (патент Китая CN 1053103 A, кл. E 21 F 7/00, 1991), предусматривающий откачку газа вентиляционными или вакуумными насосами из нижней части шахты с помощью системы трубопроводов. Также способ предусматривает проведение взрывов для вскрытия новых газоносных угольных пластов и участков породы и работы по откачке грунтовых вод. Недостатками способа являются: его низкая эффективность и малые объемы отбора газа. Возможна откачка газа из штреков шахты, но крайне проблематична дегазация непосредственно угольного массива, в котором и находятся промышленные запасы газа. Проведение взрывных работ предполагает только кратковременное воздействие упругими волнами на угольные пласты, неспособное серьезно повлиять на их дегазацию. Вскрытие же при этом новых газоносных угольных горизонтов и участков породы несет в себе большую опасность при соприкосновении с атмосферным воздухом. Основным недостатком указанного способа, как и способов, предусматривающих извлечение газа через предварительно пробуренные скважины (см., например, патент РФ 2133344, кл. Е 21 А 7/00, 1999, патент РФ 2136890, кл. E 21 F 7/00, 1999), является нестабильная добыча газа, делающая ее не выгодной для промышленных целей. Известен способ дегазации угольного пласта (а.с. СССР 1657659, кл. Е 21 F 7/00, 1991), включающий запись акустической “шумности” массива во время бурения дегазационной скважины, получение амплитудно-частотных характеристик и нахождение по ним резонансных частот массива на каждом интервале бурения, акустическое воздействие на найденных резонансных частотах на угольный пласт с помощью излучателя, подключенного к устью скважины, отбор газа через дегазационную скважину и дегазационный газопровод. Недостаток способа: ограниченный радиус влияния воздействия от источника колебаний, установленного на устье скважины. Основным недостатком является неучет тектонических особенностей залежи, влияния напряженно-деформационного состояния массива и его структуры на результат от акустического воздействия, что существенно снижает его эффективность. Известен способ управления горным давлением (патент РФ 1760115, кл. Е 21 С 41/20, 41/20, 41/18, 1992), включающий: определение поля напряжений и главных векторов в породном массиве с помощью датчиков давления горных пород, которые устанавливают в контрольной скважине, бурение скважин в горной выработке и размещение в них невзрывных пневматических источников таким образом, что они находятся в плоскости, проходящей через линию действия максимального главного напряжения, возбуждение сейсмических колебаний, приводящих к улучшению гидро- и аэродинамических связей горных пород в массиве и способствующих более полному раскрытию пор и трещин в массиве и повышению устойчивости горной выработки. Способу присущи следующие недостатки: воздействие может производится только на локальные участки горного массива; сложность определения поля напряжений и главных векторов в породном массиве; необходимость бурения большого количества скважин для размещения датчиков и пневмоисточников; трудность синхронизации пневмоисточников. Наиболее близким к изобретению является способ разработки газоконденсатного и нефтяного пластов (патент РФ 1144448, кл. Е 21 В 43/24, 1993), включающий направленное воздействие упругими колебаниями инфразвукового диапазона частот на предварительно выявленные в разрабатываемой залежи зоны повышенного давления в сочетании с тепловым воздействием. Способ предусматривает построение карты месторождения с выделением на ней зон повышенного давления, которые определяют акустическим методом, т.е. построение некой геодинамической модели, и последующим воздействием на указанные зоны от поверхностного источника колебаний. При этом наблюдаются разрывы межзерновых связей в породе пласта и образование трещин, снижение вязкости флюида и увеличение его подвижности в коллекторе, что приводит к увеличению добычи. Эффективность способа повышается, если одновременно с воздействием упругими волнами на зону повышенного давления в эту зону закачивают горячий флюид преимущественно при прохождении через нее полуволны разряжения. Это приводит не только к снижению вязкости нефти, но и увеличению пористости, вызванному как раскрытием пор в полупериод волны разряжения, так и их расклиниванием за счет принудительного поступления в поры флюида в полупериод волны сжатия. Недостатком способа является то, что он предусматривает воздействие лишь на отдельные зоны повышенного давления залежи, а не на центр зоны аномального напряженно-деформационного состояния горных пород всего месторождения и/или всей зоны нефтегазонакопления, которая может иметь как высокое, так и низкое давление при относительном растяжении пород и пониженной их прочности, а также предполагает дополнительное тепловое воздействие. Это снижает эффективность способа, повышает энергозатраты и длительность воздействия. Несмотря на возможность эффекта в радиусе 15 км и более от источника колебаний, его трудно прогнозировать и управлять им. Задача, на решение которой направлено изобретение, – повышение эффективности разработки газовых, газоконденсатных, нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений на различных стадиях их эксплуатации и увеличение извлекаемых запасов углеводородов; дополнительно решается задача более рационального и эффективного воздействия упругими волнами на месторождение и/или ряд обособленных залежей в зоне нефтегазонакопления, а также задача добычи газа из угольных пластов и повышения безопасности и эффективности работ в шахтах. Сущность изобретения состоит в том, что в продуктивный горизонт бурят скважины для отбора углеводородов или используют готовые скважины на месторождении, содержащем оставшиеся в пласте нефть, газ, газоконденсат, воздействуют на месторождение упругими волнами от источника колебаний. Перед началом воздействия известными методами (см., например, А.И. Петров, В.С. Шейн. Геодинамическая модель резервуара с кремнисто-глинистым коллектором. Геология нефти и газа, 9-10, 1999, с.7-13) строят по дистанционным (здесь и далее под дистанционными исследованиями подразумевается анализ данных, полученных аэрокосмическими методами съемок) и геолого-геофизическим данным геодинамическую модель объекта, представляющего собой зону нефтегазонакопления и/или месторождение, содержащую неоднородности типа пластов, горизонтов, комплексов пород различного состава, складок, разломов, линейных и очаговых зон аномальной трещиноватости (прочностные неоднородности), а также зоны аномального поля напряжений сжатия – растяжения (плотностные неоднородности); предварительно определяют с учетом горного давления и прочностных характеристик современное напряженно-деформационное состояние пород указанных неоднородностей в условиях залегания и его влияние на коллекторские свойства; выделяют на моделе современные активные кольцевые и/или блоковые структуры, парагенетически связанные (здесь и далее под парагенетически связанными понимается совместное нахождение различных складчатых и разрывных тектонических форм (элементов), геодинамически взаимосвязанных и одновременно или последовательно образованных) с ловушками углеводородов; определяют зону современного аномального напряженно-деформационного состояния пород кольцевых и/или блоковых структур и положение ее центра; устанавливают на дневной поверхности над центром указанной зоны источник колебаний и воздействуют на него упругими волнами; также источник колебаний может быть установлен в шахте или скважине как над центром зоны, так и непосредственно в нем. Также воздействуют частотой, обеспечивающей длину полуволны, равную расстоянию между источником колебаний и данным центром. Аналогичные действия проводят на угольных месторождениях для извлечении из них газа и повышения эффективности добычи полезного ископаемого. Сущность геодинамической модели позволяет определить центр зоны современного аномального напряженно-деформационного состояния пород активных кольцевых и/или блоковых структур, с которыми парагенетически связаны ловушки зоны нефтегазонакопления или месторождения. Зоны аномального напряженно-деформационного состояния пород образуются в результате концентрации напряжений сжатия или растяжения неоднородностями геосреды и в первую очередь охватывают породы с пониженными исходными или остаточными (после деформации) прочностными параметрами при конкретном типе напряженного состояния. Такие зоны приурочены, как правило, к активным разломам кольцевых и блоковых структур с положением их центра на пересечении и осложнении этих разломов и представляют собой неоднородности геосреды с пониженной (остаточной) прочностью пород, обусловленной аномальной трещиноватостью (нарушением сплошности), активно реагирует на действие поля напряжений различного пространственно-временного масштаба концентрацией напряжений и образованием плотностных неоднородностей: с избыточной плотностью при сжатии на стадии упругих деформаций (смыкание трещин) и инверсией плотности в процессе дилатансии на стадиях пластической деформации, разрушения, запредельной деформации, а также с пониженной плотностью при относительном растяжении и раскрытии трещин. В связи с указанными особенностями зоны современного аномального напряженно-деформационного состояния пород по соответствующему отклику (полезному сигналу) регистрируются различными методами и системами наблюдений, в том числе: в волновом сейсмическом поле выделяются по динамическим (амплитудным, фазовочастотным и др.) и кинематическим (скорость и др.) параметрическим аномалиям, диссипативным и нелинейным характеристикам; на материалах дистанционных съемок дешифрируются по характерным микро- макроэлементам ландшафта, сгруппированным вокруг центра зоны и отражающим аномальные деформации земной поверхности; при мониторинге геолого-геофизической среды определяются по аномальным изменениям параметров геофизических полей, деформациям земной поверхности, отношению амплитуд спектральных компонент сейсмического поля при пассивных сейсмических наблюдениях, флуктуациям энергии обмена сейсмических волн и т.д. Достигаемым техническим результатом при использовании изобретения является увеличение объемов добычи нефти, газа, газоконденсата и извлекаемых запасов углеводородов, получение газа из угольных пластов и повышение безопасности работ в шахтах, а также уменьшение затрат и времени на вибровоздействие. Изобретение основывается на следующих предпосылках. Известно, что при отборе флюидов из залежи уменьшается пластовое (поровое) давление и изменяется напряженное состояние пород в неоднородностях типа локальных структур, разломах, зонах трещиноватости, пластах и др. Это приводит к локальным, преимущественно медленным деформациям и сопутствующим процессам (массо-, флюидопереносу и т.п.), не обеспечивающим стабильное состояние гидродинамической системы и свойств флюидов, в итоге уменьшаются дебиты скважин и объемы добычи углеводородов, значительная часть которых остается в залежи. Сущность воздействия упругими волнами на центр зоны аномального напряженно-деформационного состояния пород кольцевой и/или блоковой структуры состоит в активизации и ускорении процесса деформаций и перераспределения напряжений в указанном центре и возбуждение через него всей геодинамически единой системы неоднородностей тектонической структуры, включающей залежи углеводородов. Физическая сущность процесса активизации деформаций и изменения картины напряженного состояния геосреды заключается: 1) в накачке дополнительной энергии упругими волнами в центр зоны аномального напряженно-деформационного состояния пород и в понижении прочностных параметров горных пород; 2) в снижении под действием упругих волн сил трения на границах указанного центра и неоднородностей с вмещающими породами, что приводит к разгрузке аномальных напряжений центром и неоднородностями и освобождению запасенной в них энергии. Также в результате произведенного воздействия происходит переупаковка петроструктуры, включая структуру прового пространства. Указанные процессы приводят к дополнительной генерации упругих волн широкого диапазона частот и к увеличению интенсивности сейсмической (акустической) эмиссии. Также высвобождаемая запасенная геофизической средой энергия может усиливать основную волну от первоначального источника колебаний. Согласно квантово-механической модели прочности твердных тел (см.: Журков С.Н. Дилатонный механизм прочности твердых тел. Физика твердого тела, т. 25, вып. 10, 1983, с. 3119-3127). Процессы понижения прочности пород, активизации деформаций и высвобождения энергии связаны с поглощением фоновов и аккумуляцией их энергии дилатонами – короткоживущими микродинамическими флуктуационными дефектами. Поглощение энергии фоновов дилатоном приводит к его расширению до критической величины, после которой проиходит распад дилатона. При взрыве на границе области дилатона возникает перепад давления, в результате дилатон оказывается очагом локального разрушения и одновременно флуктуационным источником дислокации. Лавинное увеличение дислокаций, обусловленное фононной накачной дилатонов при длительном воздействии упругими волнами от источника колебаний, приводит к образованию большого количества микротрещин. Этот процесс особенно активно протекает в центре аномального напряженно-деформационного состояния пород. Наибольший эффект достигается при расположении источника колебаний на дневной поверхности над центром зоны современного аномального напряженно-деформационного состояния пород кольцевых и/или блоковых структур за счет минимального рассеивания энергии упругих волн вдоль линии наименьшего сопротивления и при воздействии упругими волнами с частотой, обеспечивающей длину полуволны, равную расстоянию между источником колебаний и данным энергетическим центром. Выделение при деформациях и других перечисленных и сопутствующих процессах накопленной энергии в активизированном энергетическом центре в виде сейсмической эмиссии широкого спектра частот усиливает эффективность воздействия упругими волнами от источника колебаний, создает стоячие волны в напряженных геологических телах, генерирует собственные волны напряжений. В итоге энергетический центр возбуждает связанную с ним геодинамическую систему неоднородностей кольцевой и/или блоковой структуры. В такой возбужденной системе, обладающей огромной потенциальной энергией, в первую очередь ускоряется восстановление равновесного напряженно-деформационного состояния пород, нарушенное отбором флюидов из залежей, связанных с активизированной тектонической структурой. При этом в процессе деформаций коллектора возобновляются существующие и образуются новые нарушения сплошности пород, увеличивающие объем дренирующей зоны за счет подключения ранее изолированных флюидосодержащих емкостей, что фиксируется по данным исследований скважин в виде отклонений индикаторных линий (в координатах: забойное давление – дебиты нефти) в направлении оси дебитов. Деформации коллектора также сопровождаются сейсмической эмиссией в сочетании с внешним воздействием упругих волн, что приводит по типу механизма фильтра – прессинга (резкий перепад давления во взаимно перпендикулярных направлениях) к ускорению фазовой дифференциации флюидов, их вытеснению из матрицы в трещины, дренажу, в итоге возрастает пластовое давление в залежи, улучшаются фильтрационные характеристики, увеличиваются дебиты скважин, повышается коэффициент извлечения запасов углеводородов. Аналогичное воздействие упругие волны от источника колебаний на земной поверхности оказывают на зоны аномального неоднородного напряженно-деформационного состояния пород в угольных пластах. На наличие таких зон указывают горные удары. Активизация систем трещин и кливажа в угольном пласте способствует выделению и дренированию газа в околоскважинное пространство с пониженным пластовым давлением газа, его более равномерному и стабильному поступлению в них, также снижаются прочностные характеристики угольного пласта, что облегчает добычу угля, уменьшает энергозатраты. Разгрузка аномально напряженного состояния за счет упругих колебаний приводит к релаксации и более равномерному распределению напряжений и деформаций в угольном массиве, что снижает и предупреждает возникновение горных ударов, повышает безопасность работ. Способ реализуется следующим образом. На месторождении бурят скважины в продуктивный горизонт (горизонты) для отбора углеводородов или используют готовые скважины на истощенном месторождении с оставшимися в пласте нефтью, газом, газоконденсатом. Строят геодинамическую модель зоны нефтегазонакопления и/или месторождения по дистанционным и геолого-геофизическим данным, определяют современное напряженно-деформационное состояние пород в условиях залегания, выделяют на геодинамической модели кольцевые и блоковые структуры различного ранга, локальные складки, разломы, зоны трещиноватости и другие неоднородности и парагенетически связанные с ними ловушки углеводородов, анализируют поле напряжений и определяют современный центр зоны аномального напряженно-деформационного состояния пород кольцевых и/или блоковых структур, устанавливают над ним и/или непосредственно в указанном центре в скважине или шахте источник колебаний и воздействуют с определенной частотой. Происходит увеличение дебитов скважин и объемов добычи нефти, газа и конденсата, увеличиваются извлекаемые запасы углеводородов. На угольных месторождениях из скважин, пробуренных в зоны дренажа получают стабильные притоки газа. Пример 1. Реализация способа показана на примере группы крупных, средних и мелких месторождений по извлекаемым запасам нефти одного из нефтегазоносных бассейнов Юго-Восточной Азии. На месторождениях продуктивные горизонты вскрыты эксплуатационными скважинами и находятся на разных стадиях разработки, в ряде случаев на стадии истощения. До начала воздействия на залежь упругими волнами от источника колебаний по космоснимкам, геологическим и сейсмическим 3D данным известным методом (см.: Клещев К.А., Петров А.И., Шеин B. C. Геодинамика и новые типы природных резервуаров нефти и газа. – М. : Недра, 1995, 286 с.) построена геодинамическая модель зоны нефтегазонакопления, включающая данную группу месторождений (фиг. 1 а,б), определено современное напряженно-деформационное состояние пород. В составе геодинамической модели выделена основная кольцевая структура 1 с внешним диаметром  в плане около 42 км (фиг.1а) и блоковые структуры фундамента 2, ограниченные разломами 3, 4, 5, проникающими в осадочный чехол 6 (фиг. 1б), другие субвертикальные разломы 7, 8, 9 (фиг.1а). В свою очередь в строении кольцевой структуры 1 выделены разрывные нарушения 10, 11, 12, 13, 14, 15 различного радиуса кривизны (фиг. 1а), с которыми связано образование в осадочном чехле 2 подвешенных антиклинальных 16, 17, 18 и тектонически экранированных 19 ловушек, вмещающих залежи нефти (фиг. 1б). Определен современный центр кольцевой структуры 20, представленный очаговой зоной аномального напряженно-деформационного состояния пород изометрической формы с диаметром в поперечнике около 3 км. Он расположен на оси симметрии кольцевой структуры в узле пересечения разломов 3, 4, 5 различной пространственной ориентировки на границе пород фундамента 6 и осадочного чехла 2 (фиг.1б) в интервале глубин 2,5-5,5 км. Непосредственно над ним находится месторождение 17. Источник колебаний 21 установили на дневной поверхности внутри кольцевой структуры над центром аномального напряженно-деформационного состояния 20 и воздействовали на центр упругими волнами. Как следствие воздействия упругими волнами на месторождении 17 увеличились и стабилизировались динамические уровни в эксплуатационных скважинах, что позволило сменить насосы на большую производительность, см. , например, фиг. 2. Также снизилась обводненность скважин. В результате группа месторождений 17, 19, 22, 26 существенно увеличила добычу нефти см. фиг. 3, на котором показан график добычи нефти до вибросейсмовоздействия и после него на группе месторождений 17, 19, 22, 26, имеющих один узел учета (flowmeter). Изменился состав нефти за счет новых компонентов, свидетельствующих о вовлечении в разработку ранее неизвлекаемых запасов. Увеличение добычи с аналогичными сопутствующими процессами также проявилось на месторождениях 19, 22, 23, 24, 25, 26 в радиусе до 25 км, на других месторождениях 27-46 наблюдения не проводились.
Пример реализации способа в акватории показан на фиг. 4а,б. На одном из месторождений нефти 1 в Черном море, которое эксплуатируется длительное время, до начала воздействия упругими волнами по батиметрическим, геологическим, сейсморазведочным данным выделены активные разломы 2, 3, связанные с современным центром аномального напряженно-деформационного состояния пород 4, который расположен в узле пересечения этих разломов вблизи контура месторождения 1. Источник колебаний 5 установлен на дне акватории 6 над указанным центром 4 (фиг.4б) и воздействует на него упругими волнами, что приводит к активизации всего центра аномального напряженно-деформационного состояния пород 4 и связанных с ним неоднородностей строения залежей 1, в результате дебиты нефти в скважинах увеличиваются на 20% и более. Источник упругих волн 7 (фиг.4а) также может быть установлен над указанным активным разломом 2 на суше 8, если он туда прослеживается из акватории 9, и расстояние до центра современного аномального напряженно-деформационного состояния пород 4, с которым он связан, не превышает 50 км.
Реализация способа для дегазации угольных пластов и отбора из них газа показана на примере участка одного из угольных месторождений Тургайского бассейна (фиг.5). До начала воздействия упругими волнами по космическим снимкам, геологическим и геофизическим данным на участке месторождения выделен современный центр аномального напряженно-деформационого состояния пород 1, приуроченный к изгибу разлома сбросового типа 2. Источник колебаний 3 установлен на поверхности земли над этим энергетическим центром и воздействует на него упругими волнами. В результате в угольных пластах 4 происходит релаксация напряжений, увеличивается дренаж газа по системам трещин в пластах и вдоль разлома в направлении пробуренных ранее разведочных скважин 5-8, вблизи которых пластовое давление газа более низкое в связи с его отбором. В итоге предупреждается возникновение горных ударов, повышается производительность работ, стабилизируется процесс добычи газа и его значительные запасы используются в промышленности.
Преимущества способа заключаются в том, что он позволяет оптимизировать воздействие упругими волнами на залежи углеводородов, существенно повышает его эффективность, снижает энергозатраты, длительность воздействия, увеличивает его радиус и глубину, при этом эффекты от воздействия могут быть прогнозируемыми и управляемыми.
Определив современный центр аномального напряженно-деформационного состояния пород всей нефтегазоносной зоны и/или структуры, включающей группу месторождений, воздействие на него позволяет существенно увеличить добычу одновременно на всех геодинамически связанных с ним месторождениях.
Эти предложенные геолого-технологические преимущества способа позволяют получать значительный экономический эффект за счет существенного прироста уровня добычи и увеличения извлекаемых запасов углеводородов по сравнению с другими способами.
Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 21.08.2003
Извещение опубликовано: 20.11.2004 БИ: 32/2004
|
||||||||||||||||||||||||||
