Способ повышения производительности гидрогеологической скважины и устройство для осуществления способа

 

Изобретение относится к гидрогеологии и может быть использовано при эксплуатации артезианских и гидрогеологических скважин различного назначения. Изобретение обеспечивает увеличение проницаемости водяного пласта в прифильтровой зоне скважины и, как следствие, увеличение водопритока в фильтр скважины. Для этого в способе осуществляют воздействие на прифильтровую зону по меньшей мере одной водяной скважины путем пропускания через прифильтровую зону скважины разнополярных электрических импульсов без пауз между положительными и отрицательными импульсами. Отношение длительностей импульсов установлено постоянным и равным 1. Величину длительности импульсов последовательно увеличивают и уменьшают от t_{i min} до t_{i max}, определяемых из приведенного соотношения, с постоянным шагом Δt, равным 1 - 5 mc, через два импульса, один из которых положительный, а второй отрицательный, за период T_k изменения длительности импульсов от минимального значения до максимального и снова до минимального. Общее время воздействия устанавливают не превышающим 30 ч. Устройство для осуществления способа содержит источник напряжения, соединенный через силовые кабели с по меньшей мере двумя рабочими электродами. Для измерения и регулирования параметров выходного тока источник напряжения снабжен блоком управления и контроля. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к гидрогеологии и может быть использовано при подготовке и эксплуатации артезианских и гидрогеологических скважин для увеличения водоотдачи.

Известен способ повышения производительности скважины, включающий воздействие на прифильтровую зону гидрогеологической скважины постоянным однополярным электрическим током для повышения пористости и проницаемости пласта (SU авторское свидетельство N 899867, кл. E 21 B 43/00 от 23.01.82).

Недостатком известного способа является его малая эффективность, которая в ряде случаев, при малой электрической проводимости пласта, не обеспечивает получение заметного результата. Следует отметить, что применение постоянного тока приводит к большим энергозатратам.

Известно устройство для повышения производительности гидрогеологической скважины, содержащее источник постоянного электрического тока, соединенный с помощью кабеля с рабочими электродами (SU авторское свидетельство N 899867, кл. E 21 B 43/00 от 23.01.82).

Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, которые не позволяют получить заметный эффект при использовании устройства во всем возможном спектре продуктивных пластов вследствие большого разброса их параметров.

Известен способ повышения производительности гидрогеологической или артезианской скважины, включающий воздействие на прифильтровую зону постоянным или переменным электрическим током (SU авторское свидетельство N 1273514, кл. E 21 B 43/26 от 30.11.86) - прототип.

В качестве недостатка известного способа можно отметить следующее. Способ направлен на повышение проницаемости прифильтровой зоны за счет нагрева воды, роста давления в капиллярах и последующего увеличения их поперечного сечения, что требует значительных энергозатрат и использования мощных источников энергии, а это, как правило, затруднено. При этом возможно образование паровой фазы в период предполагаемой неконтролируемой раскольматации, что может снизить фильтрующие свойства скважины. Возможность парообразования требует обязательного периодического охлаждения путем значительной пассивной выдержки между циклами полезного воздействия или трудоемкой прокачки хладагента. Величина электрических параметров и цикличность воздействия обусловлены только тепловыми свойствами прифильтровой зоны и не учитывают ее электрохимических свойств, что может не только нивелировать конечный результат, но и привести к снижению производительности. Использование переменного тока частотой 50 Гц не предоставляет возможности целенаправленно использовать реактивную составляющую пласта в широком диапазоне ее возможных полезных резонансных значений.

Известно устройство для повышения производительности гидрогеологической скважины, содержащее источник электрического тока, соединенный силовыми кабелями с двумя рабочими электродами. Источник обеспечивает подачу на рабочие электроды постоянного или переменного двух- и трехфазного тока (SU авторское свидетельство N 1273514, кл. E 21 B 43/26 от 30.11.86).

В качестве недостатков известного устройства необходимо отметить ограниченные функциональные возможности, так как конструктивные элементы не обеспечивают формирование импульсов электрического тока с набором необходимых параметров.

Задачей настоящего изобретения является повышение производительности артезианских и гидрогеологических скважин, удельный дебит которых либо изначально недостаточен, либо существенно снижен в процессе эксплуатации из-за кольматации пор и капилляров в прифильтровой зоне скважины, и создание устройства, позволяющего осуществить воздействия, необходимые для раскольматации как прифильтровой зоны, так и фильтра скважины.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение проницаемости водяного пласта в прифильтровой зоне скважины и, как следствие, увеличение водопритока в фильтр скважины.

Для достижения указанного технического результата в способе повышения производительности гидрогеологической или артезианской скважины, включающем воздействие на прифильтровую зону по меньшей мере одной водяной скважины переменным электрическим током и извлечение воды и кольматантов, воздействие осуществляют путем пропускания через прифильтровую зону водяной скважины разнополярных импульсов электрического тока без пауз между положительными и отрицательными импульсами, отношение длительностей которых установлено постоянным и равно 1, а величину длительности импульсов изменяют в процессе воздействия, последовательно увеличивая и уменьшая с постоянным шагом, равным Δt, в диапазоне значений от t_{i min} до t_{i max}: где t_{i min,max} - соответственно минимальная и максимальная длительности импульсов тока; D = B·λ_min,max ; B - коэффициент, учитывающий отсортированность и породы, составляющей пласт, и уровень ее цементации ^*; λ_min,max - максимальный и минимальный коэффициент анизотропии для данного пласта; K - коэффициент пористости; H - мощность пласта, м, L - длина рабочего электрода, м,
C - минерализация воды в пласте, г/л.

Зона проницаемости пласта представляет собой среду, весьма дифференцированную по размерам пор и капилляров, по содержанию кольматантных образований естественного и искусственного происхождения, по размерам зерен породообразующих минералов, по концентрации носителей тока в различных ее областях и т.д. Поэтому прифильтровую зону скважины, обладающую с электрической точки зрения распределенными индуктивностью и емкостью, можно рассматривать в рамках поставленной задачи как интегральный колебательный контур с собственной резонансной частотой, который состоит из множества колебательных контуров, чьи резонансные свойства определяются, в частности, указанными выше параметрами и имеют поэтому собственные величины распределенных индуктивности и емкости, а следовательно, и собственные резонансные частоты отклика на возможные частотные электрические воздействия.

Осуществляя специально подобранное качание длительности импульсов электрического воздействия, можно последовательно реализовать максимальное воздействие на отдельные фрагменты порогового пространства зоны проницаемости, получив тем самым максимально возможный конечный результат по очистке пор и капилляров от кольматантных перегородок.

Электрические параметры импульсов тока выбирают такими, чтобы воздействие на кольматантные перегородки в узких и широких капиллярах при длительности импульсов, равной соответственно t_{i min} и t_{i max}, было достаточным для создания электрокинетических сил, разрушающих эти перегородки. Величину тока выбирают такой, чтобы за время воздействия не происходило парообразования, которое способно блокировать узкие капилляры пузырьками воздуха.

В процессе воздействия осуществляют контроль вторичного электрического поля, т.е. поля вызванной поляризации (ВП), по изменению крутизны спада поля ВП после окончания импульса тока, по величине излома переходной характеристики на границе между положительным и отрицательным импульсами, а также по возможному изменению амплитуды импульсов. В частности, возможно увеличение амплитуды, либо выравнивание амплитудных значений положительных и отрицательных импульсов. При этом крутизна заднего фронта достигает максимального значения, а величина излома - минимального.

Длительность воздействия, как правило, не превышает 30 ч при величине амплитуды импульсов тока, определяемой из соотношения

где
х - расстояние до точки нулевой плотности тока, например нулевой точкой можно считать середину расстояния между рабочими электродами, м;
ρ - удельное сопротивления пласта, Ом x м;
T_p - средняя температура воды в пласте, ^oC;
T_w - время воздействия, ч;
U_w - электрическое напряжение на рабочем электроде по модулю, В.

Величина задаваемого периода T_k изменения длительности импульсов (т.е. периода, в течение которого длительность импульсов меняется от минимальной до максимальной и снова до минимальной, причем с постоянным дискретным шагом Δt через два импульса, один из которых положительный, а второй отрицательный) определяется с учетом параметров пласта и может быть равна
T_k=(5 - 20)·(t_{i min} + t_{i max}), mс.

Величина шага Δt изменения длительности импульсов экспериментально определена авторами как равная 1 - 5 mс.

Наличие электрорезонансных свойств пласта на практике проявляется максимальным изменением контролируемых параметров тока. В области инфранизких частот (при длительности импульсов 10 - 50 mс) - это резкое увеличение крутизны фронтов импульсов, в области более высоких частот (при длительности импульсов 1 - 10 mс) резонансные свойства проявляются определенным увеличением амплитуды импульсов, пропускаемых через прифильтровую зону. Причем резонансных откликов на действие импульсов переменной длительности, как правило, не менее двух во всем диапазоне воздействия от 1 до 50 mс, что позволяет, изменяя длительность импульсов по вышеуказанной закономерности, получать максимально возможный результат для основных областей зоны проницаемости. Наличие отрицательного заряда на частицах кольматанта приводит к возникновению электрокинетических сил между ними и движущимися в пластовой воде под воздействием приложенного электрического напряжения ионами, направление этих сил меняется на противоположное при смене полярности импульсов, что в конечном итоге приводит к "расшатыванию" структуры кольматантных перегородок и их распаду на более мелкие фракции, которые затем извлекаются с водой в процессе откачки.

Для осуществления названного способа и получения указанного результата предлагается устройство для повышения производительности артезианских и гидрогеологических скважин, содержащее источник электрического напряжения, соединенный силовыми кабелями с по меньшей мере двумя рабочими электродами, источник выполнен в виде силового трансформатора с входными клеммами для подключения к трехфазной промышленной сети переменного тока, три силовых выхода которого соединены с тремя силовыми входами регулируемого выпрямителя, два силовых выхода которого соединены с двумя силовыми входами параллельного тиристорного инвертора, два силовых выхода которого соединены с двумя силовыми входами коммутатора тока, два силовых выхода которого соединены через два согласующих элемента с двумя выходными клеммами, к которым подключены силовые кабели, также устройство снабжено блоком управления и контроля, первый управляющий выход которого соединен с управляющим входом регулируемого выпрямителя, а второй и третий управляющие выходы соединены соответственно с управляющими входами параллельного тиристорного инвертора и коммутатора тока, а контрольно - измерительный вход блока управления и контроля соединен с одной из выходных клемм.

В качестве рабочих электродов могут быть использованы металлические фильтры обсадных колонн или электроизолированные фильтры, соединенные через вспомогательные электроды и силовые кабели с выходными клеммами. Вспомогательные электроды могут быть размещены в полости открытых фильтров.

На чертеже представлена блок-схема устройства для повышения производительности гидрогеологической скважины, которое состоит из силового понижающего трансформатора 1 (СПТ), блока 2 регулируемого выпрямителя (РВ), блока 3 параллельного тиристорного инвертора (ПТИ), блока 4 коммутатора тока (КТ), согласующих элементов 5, 6 (СЭ), блока 7 управления и контроля, выходных клемм 8, 9 для подключения через силовые кабели 10, 11 рабочих электродов 12, 13. СПТ снабжен входными клеммами 14, 15, 16 для подключения к трехфазной промышленной сети переменного тока 380 B, 50 Гц. СПТ выполнен по трехфазной схеме "звезда - звезда" на общем для всех обмоток сердечнике, вторичные обмотки имеют отводы для ступенчатой регулировки напряжения. РВ выполнен на шести тиристорах, соединенных по схеме Ларионова, которые работают в режиме двусторонней отсечки, и снабжен фильтром, сглаживающим пульсации тока (не показан). ПТИ выполнен на двух тиристорах с выходным импульсным трансформатором, выходные обмотки которого имеют отводы для переключения числа витков в соответствии с генерируемой частотой и напряжением питания. ПТИ имеет несколько индуктивностей и емкостей для формирования последовательностей квазипрямоугольных импульсов без пауз в нескольких частотных диапазонах.

КТ выполнен на четырех тиристорах и предназначен для пропуска к нагрузке генерируемых ПТИ импульсов в одном из трех необходимых режимов:
1. разнополярные импульсы,
2. положительные однополярные импульсы,
3. отрицательные однополярные импульсы.

БУК предназначен для формирования сигналов, управляющих включением и выключением тиристоров РВ, ПТИ и КТ, а также для измерения параметров выходного импульсного тока.

Устройство работает следующим образом. Входное трехфазное напряжение 380 B, 50 Гц без нуля подается по трехфазному кабелю на первичные обмотки силового понижающего трансформатора, вторичные обмотки которого обеспечивают понижение напряжения до 220 B и имеют отводы для ступенчатой регулировки этого напряжения, сила тока при этом пропорционально возрастает.

От СПТ по силовым цепям трехфазное напряжение поступает на вход РВ, который собран по схеме Ларионова на тиристорах со сглаживающим фильтром на выходе (не показан), регулировку напряжения осуществляют в пределах 30% от максимального напряжения. С выхода РВ выпрямленное напряжение поступает на вход ПТИ, на выходе которого образуются разнополярные квазипрямоугольные импульсы без пауз, которые через КТ и СЭ подаются на выходные клеммы 8, 9. Затем импульсы через силовые кабели 10 и 11 подаются на клеммы 12, 13 нагрузки, т.е. на рабочие электроды.

По первому управляющему выходу БУК осуществляется включение и выключение РВ с глубиной отсечки, обеспечивающей необходимую величину постоянного напряжения на его выходе.

По второму управляющему выходу БУК подаются на ПТИ управляющие сигналы, которые определяют длительность импульсов на выходе ПТИ, а также закономерность, по которой эта длительность изменяется.

По третьему управляющему выходу БУК осуществляют управление работой КТ, собранного по мостовой схеме и предназначенного для переключения устройства в один из вышеуказанных режимов.

Настоящее изобретение было реализовано на ряде скважин Московской области, удельный дебит которых был существенно снижен в процессе эксплуатации. Во всех случаях применения разработанного авторами способа повышения производительности гидрогеологической скважины и устройства для его осуществления наблюдалось увеличение удельного дебита и производительности скважин до значений не менее чем 75% от первоначальных, измеренных при вводе скважин в эксплуатацию.

_* Дахнов В.Н. "Электрическая разведка нефтяных и газовых месторождений", стр. 21, Гостоптехиздат, 1953 г.

Формула изобретения

1. Способ повышения производительности гидрогеологической скважины, включающий воздействие на прифильтровую зону по меньшей мере одной скважины переменным электрическим током и извлечение воды и кольматантов, отличающийся тем, что воздействие осуществляют путем пропускания через прифильтровую зону скважины разнополярных импульсов тока без пауз между положительными и отрицательными импульсами, отношение длительностей которых установлено постоянным и равным 1, а величину длительности импульсов последовательно увеличивают и уменьшают от t_imin до t_imax, определяемых из соотношения

где t_imin,max - соответственно минимальная и максимальная длительности импульсов тока;
D = B·λ_min,max;
B - коэффициент, учитывающий отсортированность породы, составляющей пласт и уровень ее цементации;
λ_min,max - максимальный и минимальный коэффициенты анизотропии для данного пласта;
K - коэффициент пористости;
H - мощность пласта, м;
L - длина электрода, м;
C - минерализация воды в пласте, г/л,
с постоянным шагом Δt, равным 1 - 5 мс через два импульса, один из которых положительный, а второй - отрицательный, за период T_k изменения длительности импульсов от минимального значения до максимального и снова до минимального, этот период определяется из соотношения
T_k = (5 - 20) · (t_imin + t_imax), мс,
а общее время воздействия устанавливают не превышающим 30 ч.

2. Устройство для повышения производительности гидрогеологической скважины, содержащее источник электрического напряжения, соединенный через силовые кабели с по меньшей мере двумя рабочими электродами, отличающееся тем, что источник выполнен в виде силового понижающего трансформатора с входными клеммами для подключения к трехфазной сети переменного тока, три силовых выхода которого соединены с тремя силовыми входами регулируемого выпрямителя, два силовых выхода которого через параллельный тиристорный инвертор, коммутатор тока и согласующие элементы соединены с двумя выходными клеммами, к которым подключены силовые кабели, и снабжен блоком управления и контроля, первый, второй и третий управляющие выходы которого соединены соответственно с управляющими входами регулируемого выпрямителя, параллельного тиристорного инвертора и коммутатора тока, а контрольно-измерительный вход блока управления и контроля соединены с одной из выходных клемм.

РИСУНКИ

Рисунок 1