Устройство для многократного создания сейсмических волн в массиве горных пород

 

Использование: при сейсмической разведке и воздействии на коллекторы для создания многократно повторяющихся импульсных сейсмических сигналов. Обеспечивает увеличение эффективности излучения поперечных волн сейсмическим источником в плотных горных породах с возможностью многократного повторения через заданные промежутки времени. Сущность изобретения: устройство содержит скважину, пакер, установленный в скважине, через который проходят дренажная труба, топливная магистраль и линия передачи детонации. Согласно изобретению скважина пробурена в плотные горные породы ниже зоны малых скоростей, где установлен пакер. Он ограничивает рабочий объем скважины между ним и концом дренажной трубы. Этот объем заполнен воздухом по линии передачи детонации. При этом топливная магистраль имеет ресивер с газом для образования его стехиометрической смеси с воздухом в рабочем объеме скважины и детонации этой смеси с ее распространением вдоль скважины и излучением поперечных сейсмических волн. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области сейсморазведки и предназначено для создания многократно повторяющихся импульсных сейсмических сигналов.

Устройство может быть также использовано для вибровоздействия на коллекторы углеводородов с целью повышения продуктивности пластов и дебита скважин.

Известны устройства для создания сейсмических волн, работающие за счет энергии продуктов взрыва газовых смесей, представляющие собой комплекс подготовки газовых смесей.

Для источников с расположением взрывной камеры на поверхности массива [1] характерен очень низкий кпд из-за больших потерь в амплитуде волн при их распространении от дневной поверхности, особенно через зону малых скоростей.

В скважинных источниках взрывного типа для возбуждения колебаний используются различные по конструкции заряды ВВ, а также размещенные в скважине баки с жидкими или газообразными горючими, инициирующие шашки из пороха или твердых взрывчатых веществ. Применяется также изготовление взрывчатой смеси непосредственно в скважинах путем электролиза воды [2].

Недостатками этих устройств являются низкая мощность источников, малая, по отношению к продольным волнам, интенсивность излучаемой поперечной волны, необходимость поднятия на поверхность устройства для снаряжения при последующих воздействиях, повышенная взрывоопасность компонентов устройства.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является принятое за прототип устройство для генерирования сейсмических волн, применяемое в сейсморазведке [3]. Устройство включает трубку, открытую на нижнем конце, которая внедряется на небольшую глубину в слой мягких пород. Кислород и ацетилен дозируются при помощи системы клапанов, смешиваются в заданной пропорции и нагнетаются в трубку, заполняя ее и пустоты в земле в окрестности нижнего конца трубки. Смесь поджигается у верхнего конца трубки и детонационная волна, распространяясь вдоль трубки, инициирует детонацию газа, заполнившего пустоты вблизи нижнего среза трубы. В результате нескольких последовательных взрывов в грунте формируется каверна постоянного объема. Газовая смесь по трубке нагнетается в сформированную полость и, в результате детонации смеси, в грунт излучаются сейсмические волны. Затем процесс повторяется через заданный промежуток времени.

Недостатками описанного устройства являются: - низкий КПД из-за больших потерь при распространении волн через зону малых скоростей; - невозможность применения данного метода в скальных породах; - высокая пожароопасность, возникающая при применении кислорода и ацетилена; - недостаточная стабильность источника при его применении в различных пунктах, поскольку объем формирующейся каверны существенно зависит от локальных условий; - низкая интенсивность излучаемой поперечной волны.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности излучения поперечных волн сейсмическим источником в плотных горных породах с возможностью многократного повторения через заданные промежутки времени.

Для достижения этого технического результата предлагается устройство для создания сейсмических волн для массива горных пород, содержащее скважину, пакер, установленный в скважине, и проходящую через пакер дренажную трубу, линию передачи детонации и топливную магистраль, согласно изобретению скважина пробурена в плотные горные породы ниже зоны малых скоростей, где установлен пакер, ограничивающий рабочий объем скважины между ним и концом дренажной трубы, заполненной воздухом по линии передачи детонации, при этом топливная магистраль имеет ресивер с газом для образования его стехиометрической смеси с воздухом в рабочем объеме скважины и детонации этой смеси с ее распространением вдоль скважины и излучением поперечных сейсмических волн.

Желательно, чтобы ресивер имел заранее установленный объем.

Желательно, чтобы топливная магистраль содержала отверстия, расположенные равномерно вдоль рабочего объема.

Желательно, чтобы линия передачи детонации заканчивалась конусом, предназначенным для перевода детонации в рабочий объем.

Желательно, чтобы детонация газовоздушной смеси инициировалась на поверхности электроискровым зарядом.

Предложенное расположение источника позволит в значительной степени избежать потерь энергии колебаний при прохождении через зону малых скоростей. Это обеспечивает возможность распространения по массиву высокочастотных импульсов значительной амплитуды.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1, где представлена схема устройства.

В скважине 1, пробуренной в плотные горные породы, устанавливают на глубине большей, чем зона 2 малых скоростей, пакер 3, через который проходят дренажная труба 4, линия 5 передачи детонации, заканчивающаяся конусом 6 для перевода детонации в рабочий объем 7, и топливная магистраль 8. Устройство включает пульт 9 управления, систему подачи воздуха от компрессора 10 и топлива от баллона 11 через систему клапанов 12 - 14, а также камеру 15 инициирования детонации.

Устройство работает следующим образом.

По трубе линии 5 передачи детонации через клапан 14 под необходимым давлением производится заполнение воздухом от компрессора 10 рабочего объема 7, определяемого длиной участка скважины L, ограниченного пакером 3 и концом дренажной трубы 4. Величина давления должна превышать гидростатическое давление жидкости на уровне рабочего участка скважины. Жидкость при этом вытесняется через дренажную трубу 4.

Через клапан 12 при закрытом клапане 13 производится закачка нужного количества пропана в топливный ресивер 16, объем которого может меняться.

Объем ресивера устанавливается заранее и определяется рабочим объемом скважины и объемом линии передачи детонации с тем расчетом, чтобы в результате смешения пропана с воздухом в рабочем объеме образовалась стехеометрическая смесь. После закрытия клапанов 12 и 14 через открытый клапан 13 по топливной магистрали 8 производится впрыск необходимого количества газа в рабочий объем 7, после чего клапан 13 закрывается и от пульта 9 управления производится поджиг смеси в камере 15 инициирования детонации. Для улучшения перемешивания газа с воздухом топливная магистраль может содержать отверстия 17, расположенные равномерно вдоль рабочего объема.

Волна горения в процессе распространения по линии 5 передачи детонации трансформируется в детонационную волну, которая через конус 6 вызывает детонацию смеси в рабочем объеме 7.

При распространении детонационной волны вдоль участка скважины, заполненного газовоздушной смесью, в массив горной породы излучаются, в основном, поперечные сейсмические волны. После окончания детонации производят продувку рабочего объема воздухом при открытом выпускном клапане 18, после чего цикл повторяется. Минимальная длительность полного цикла составляет около 10 с.

Устройство позволяет проводить повторное возбуждение колебаний. Частота подрывов может регулироваться в широких пределах с пульта 9 управления. Встроенный кварцевый генератор обеспечивает высокую синхронизацию с управляющим сигналом (разброс не более 1 мс). С этого же пульта по сигналам автоматики осуществляется открытие и закрытие клапанов. Поскольку стенки скважины, пробуренной в плотных породах, при детонации газовой смеси не повреждаются, обеспечивается высокая когерентность сигналов при повторных излучениях. Это позволяет использовать метод накопления сигнала.

Изменение длины рабочего участка и начального давления газовоздушной смеси позволяет регулировать амплитудно-частотные характеристики сейсмического источника.

Перемешивание газа и воздуха непосредственно в рабочем объеме скважины обеспечивает безопасность работы устройства. Детонация газовоздушной смеси инициируется на поверхности электроискровым разрядом и передается в рабочий объем по трубе линии 5 передачи детонации заданного диаметра. Использование указанной трубы оптимального диаметра позволяет обеспечить устойчивое распространение детонационной волны до заданной глубины. Применение конуса 6 для перевода детонации в рабочий объем позволяет использовать смеси на основе углеводородов (пропан, метан) и воздуха.

На фиг.2 показаны типичные сейсмограммы вертикальной массовой скорости, зарегистрированные на поверхности трещиноватого массива гранита на расстоянии 105 м, от трех произведенных в разное время опытов с детонацией смеси воздух-пропан в скважине длиной около 10 м. Рабочий участок скважины составлял примерно 7 м. Первое вступление, помеченное на сейсмограммах как "Р", соответствует приходу на данное расстояние прямой продольной волны.

Скорость распространения трех основных фаз, отмеченных на фиг.2 цифрами 1, 2, 3, близка к скорости поперечной волны. Амплитуда этой волны значительно превышает амплитуду продольной, что соответствует особенностям излучения скважинного источника с детонацией газовоздушной смеси в плотных породах.

Сопоставление сейсмограмм показывает хорошую повторяемость сигналов, что позволяет использовать процедуру накопления.

Литература 1. Авторское свидетельство СССР 760010, кл. G 01 V 1/04, 1980.

2. Патент РФ 2082990, кл. G 01 V 1/04, 1997.

3. Патент USA 4026382, кл. G 01 V 1/12, G 01 V 1/4.

Формула изобретения

1. Устройство для создания сейсмических волн в массиве горных пород, содержащее скважину, пакер, установленный в скважине, через который проходят дренажная труба, топливная магистраль и линия передачи детонации, отличающееся тем, что скважина пробурена в плотные горные породы ниже зоны малых скоростей, где установлен пакер, ограничивающий рабочий объем скважины между ним и концом дренажной трубы, заполненный воздухом по линии передачи детонации, при этом топливная магистраль имеет ресивер с газом для образования его стехиометрической смеси с воздухом в рабочем объеме скважины и детонации этой смеси с ее распространением вдоль скважины и излучением поперечных сейсмических волн.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ресивер имеет заранее установленный объем, определяемый объемом линии передачи детонации и рабочим объемом скважины.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что магистраль содержит отверстия, расположенные равномерно вдоль рабочего объема.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что линия передачи детонации заканчивается конусом, предназначенным для перевода детонации смеси газа с воздухом в рабочий объем.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет на поверхности камеру инициирования детонации смеси газа и воздуха электроискровым разрядом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2