Газодинамический источник сейсмических колебаний для исследования транзитных зон водоемов


В.А.Холодилов, ООО «Газфлот» Г.В.Крылов, Н.А.Туренков, А.А.Болотов, ООО «ТюменНИИгипрогаз»

В настоящее время отчетливо определилось большое ресурсное значение мелководных и транзитных (переходных от суши к морю) зон водоемов Российской Федерации, в которых находятся объекты геологоразведочных работ на нефть и газ. Общая площадь подобных мелководных зон акваторий Арктики и Северо-Каспийского бассейна России составляет более 700 тыс. км2.

Учитывая стратегию ОАО «Газпром» по приросту и использованию запасов углеводородного сырья, ориентированную на сосредоточение геолого-геофизических исследований в Надым-Пур-Тазовском районе, включая акваторию Обской губы и Тазовской губы, представляется целесообразным использование новых методик и технических средств для проведения геофизических исследований, обеспечивающих наилучшую результативность работ.



В настоящий момент для данного района характерна низкая плотность сейсмических исследований - в среднем менее 0.1 пог. км/км2. Прибрежные мелководные части губ практически не изучены. Это обусловлено комплексом причин: сложностью исследований в транзитных зонах, неоднородностью верхней части разреза в условиях много-летнемерзлых пород и климатическими условиями. Акватория Обской и Тазовских губ - мелководье от 1-2 до 10-12 м. Береговая зона в окрестности губ насыщена озерами и водотоками. Развита толща многолетнемерзлых пород переменной мощности. Имеют место резкие вариации свойств верхней части разреза, обусловленные температурным режимом под озерами, водотоками и губами. Сложные условия верхней части разреза оказывают негативное влияние на достоверность получаемых данных.

Для повышения эффективности геофизических исследований необходимо:

-    повысить производительность геофизических работ;

-    обеспечить однородность условий возбуждения и приема колебаний;

-    учесть неоднородности верхней части разреза в условиях многолетнемерзлых переменной мощности. Мелководные и транзитные зоны характеризуются сложными условиями проведения сейсмических исследований. Основными физико-геологическими особенностями этих зон являются предельно малые и быстроменяющиеся глубины водного слоя, сильные и переменчивые течения, наличие крутых берегов и береговых топей. Помимо естественных преград имеют место техногенные препятствия. Указанные особенности мелководных и транзитных зон не позволяют применять стандартные сухопутные и морские технологии и технические средства формирования сейсмических колебаний, регистрацию и интерпретацию сейсмических данных.



Возбуждение колебаний в транзитных зонах при глубине моря 1-2 м производят взрывами традиционных ВВ в пробуренных неглубоких отдельных скважинах или с помощью специальных погружных пневматических источников объемом 2-3 л. В морских условиях при мощности водного слоя 2-3 м исключительное применение имеют групповые пневмопушки с суммарным объемом 20 л и рабочими частотами 30-70 Гц. Например, пневмоизлучатели Bolt (США), сейсмические пневмоизлучатели семейства «ГЕОХИ-УНИСИГНАЛ» (институт Геохимии и Аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН) и пневмоисточники «Пульс» (ГНЦ ФГУГП «Южморгеология») [1].

Ограниченное применение взрывных источников сейсмических волн с использованием традиционных ВВ обусловлено их очевидными недостатками:

-    принципиальная невозможность дистанционного дозирования и контроля мощности взрывного импульса;

-    отсутствие возможности формирования серии импульсов на фиксированной глубине скважины без подъема источника колебаний;

-    особая техника безопасности доставки, хранения ВВ и проведения работ.

К основным недостаткам пневмоизлучателей следует в первую очередь отнести необходимость погружения их в грунт вблизи уреза воды, что требует размещения на плавсредствах буровых или ударно-канатных установок. Кроме того, близость к поверхности воды на предельном мелководье порождает отраженную волну, которая накладывается на прямую волну и деформирует ее.



Для работ в переходных зонах успешно опробованы вибрационные источники сейсмических сигналов, принцип действия которых аналогичен наземным вибраторным установкам. Источником колебаний является упругая круглая мембрана диаметром около 1 м, которая под действием внешних сил совершает возвратно-поступательные движения, формируя в водной среде волновой процесс. Сравнительные испытания морского вибратора фирмы IVJ (США) со стандартными источниками колебаний (пневмопушки и заряды ВВ), проведенные в транзитной зоне штата Луизиана, показали, что он обеспечивает получение сопоставимых материалов, но обладает незначительной интенсивностью сигнала и имеет ограниченное применение.

Известны разработки импульсных источников сейсмических колебаний, применимых для условий транзитных зон, основанные на преобразовании электромагнитной энергии в механическую: электромагнитные импульсные источники «Енисей-ВЭМ-1.00», «Геотон», «Титан» и др. К достоинствам источников данного типа можно отнести:

-    высокочастотный спектр возбуждаемого сигнала;
-    высокую идентичность возбуждаемых колебаний;

-    экологическую безопасность.

Вместе с тем, импульсные электромагнитные и электродинамические источники обладают недостаточной интенсивностью, сложностью конструкции и ограниченной областью использования в транзитной зоне.



В целях создания надежной геолого-геофизической основы разработки месторождений углеводородов путем проведения сейсмических исследований в глубоких скважинах, в транзитной зоне, а также в акватории моря в ООО «ТюменНИИгипрогаз» разработан многофункциональный газодинамический источник сейсмических колебаний (ГИСК) [2, 3].

Физической основой ГИСК является использование ВВ, формируемого непосредственно в скважине. Из взрывчатых веществ в этой связи особый интерес представляют газообразные взрывчатые смеси, лишь в последние годы применяемые в некоторых отраслях техники. По нашему мнению, их использование для решения задач полевой геофизики будет иметь ряд несомненных достоинств [4].

Основные преимущества применения газообразных взрывоспособных сред состоят в том, что газовая смесь формируется внутри глубинного скважинного снаряда, помещенного в скважину. При непрерывном дистанционном контроле на устье скважины реализуется возможность создавать серию ударных импульсов без подъема глубинного снаряда и осуществлять регулировку мощности, определяемую прочностью стенок скважины.

Общий вид и функциональная схема ГИСК представлены на рис. 1. Компоновка ГИСК включает трансформаторы ТДМ-40 (1, 2), Табл выпрямитель (3), блок управления импульсами (БУИ) (4), геофизический трос-кабель (5), глубинный скважин- Дав ный снаряд (6), электронный мультипликатор (7), высоковольтный разрядник (8), индикатор подрыва (9), газогенератор (10).

Формирование ударных волн осуществляется следующим образом. Постоянный ток с выпрямителя (3) посредством трос-кабеля поступает на газогенератор (10). Созданная генератором взрывоспособная газовая смесь заполняет взрывную камеру глубин- * Ве
ного снаряда (6). Объем смеси контролируется дистанционно с помощью датчика, установленного в этой камере. При достижении определенного объема газовой смеси высоковольтным импульсом с блока (4) производится подрыв смеси. Возникновение взрыва контролируется индикатором (9).

Преимущества ГИСК

В отличие от традиционных импульсных сейсмических источников ГИСК обладает следующими преимуществами:

-    полной безопасностью для обслуживающего персонала;

-    безопасностью для окружающей среды;

-    созданием серии импульсов без подъема глубинного снаряда;

-    дистанционным контролем и дозированием интенсивности колебаний;

-    широким диапазоном применения: ВСП, МП, ВВС, контроль ГВК и НВК;

-    проведение сейсмических работ в акватории моря, в транзитных зонах;

-    технологической и экономической эффективностью.
Техническая характеристика ГИСК

Потребляемая мощность........................4-6 кВт

Напряжение питания .........................220-600 В


Рабочий ток ..................................50-100 А


Производительность газогенератора..........0.5-1 л/мин


Энергия взрывного импульса................5-3000 кДж


Тротиловый эквивалент газовой смеси..........1.5-600 г


Диапазон глубин спуска снаряда ..............0.5-3000 м


Габариты глубинного снаряда...............85 х 1950 мм


Масса установки.................................142 кг


Энергетические и механо-динамические характеристики ударной волны при взрыве газообразного ВВ на примере кислородно-водородной смеси при различных гидростатических давлениях в скважине приведены в табл. 1.

Как следует из табл. 1, газодинамический источник может рассматриваться как альтернативный традиционным взрывным способам возбуждения сейсмических колебаний с применением твердых ВВ.

В период 2004-2005 гг. была проведена серия опытно-методических испытаний ГИСК. Совместно с ОАО «Газпром-геофизика» и ОАО «Костромагеофизика» в Ярославской области на скв. №5 «Скалинская» были выполнены сравнительные испытания ГИСК и вибрационного источника ГСК. Получены амплитудно-частотные спектры на разных удалениях. Отмечено, что частота колебаний, формируемых ГИСК, в 2 раза выше частоты колебаний, создаваемых ГСК. При этом энергия сейсмических трасс во временном интервале 1500мс ГИСК примерно в 2 раза ниже по сравнению с энергией ГСК. На рис. 2 показаны амплитудно-частотные спектры ГИСК и вибрационного источника ГСК. Получены импульсоиды (рис. 3) и функции автокорреляции для каналов ближних к источнику.



По сопоставлению с ГСК энергия испытанного варианта ГИСК приблизительно соответствует 10—15 г ТНТ. Быстродействие источника с отмеченными энергетическими характеристиками составляет 8—10 минут. Прямые и преломленные волны регистрируются на удалении более 3 км.

Возможны следующие направления использования источника:

1.    В качестве альтернативы взрывным источникам при проведении ВСП и наземных работ 2D, 3D с модернизированным вариантом ГИСК с эквивалентом 200—300 г ТНТ.

2.    В качестве скважинного источника для работ по схеме скважина-скважина, скважина-поверхность. Используется ГИСК в основной модификации.

3.    В качестве малого источника для верхней части разреза. Конструкционная возможность имеется.

При участии ОАО «Тюменнефтегеофизика» были проведены испытания параметрического ряда конструкций ГИСК в неглубоких водонаполненных скважинах (ВВС). По результатам испытаний следует, что ГИСК перспективен для методик просвечивания по схеме скважина-поверхность и скважина-скважина.

Совместно с ФГУГП ГНЦ «Южморгеология» выполнены сравнительные опытно-методические испытания ГИСК и различных конструкций пневмоисточников «Пульс» в транзитной зоне акватории речного порта г. Саратова и в акватории Черного моря. В результате этих испытаний ус-
тановлены амплитудно-частотные и интегральные характеристики ГИСК.

По итогам испытаний в транзитной зоне отмечено, что мощность излучения ГИСК вполне сопоставима с групповым пневмоизлучателем при явных преимуществах: малых массе и объемов палубного и забортного оборудования, простота и надёжность в эксплуатации, возможность группирования.

Результаты опытно-методических испытаний ГИСК в акватории Черного моря иллюстрируются данными табл. 2, где представлены сравнительные характеристики акустических импульсов ГИСК и «Пульс-6М» в дальней зоне (на глубине 1000 м) на удалении гидрофона по вертикали 85 м от источника, размещенного на глубине 5 м.

Анализ результатов всего комплекса испытаний позволяет сделать вывод, что созданный источник сейсмических колебаний при корректном его использовании применим в широком диапазоне геофизических работ.

В целях повышения производительности геофизических исследований в переходных зонах с использованием ГИСК необходимо осуществить группирование источников с размещением их на плавсредстве. При переходе на сушу для увеличения амплитуды формируемых колебаний целесообразно применять ГИСК с разрывными мембранами.

ЛИТЕРАТУРА:

1.    В.И. Гуленко, В.Д. Карпенко, ВА. Шлыков Влияние внешнего акустического поля и границ волнового слоя на акустические характеристики пневматического излучателя, «Разведочная геофизика». - М: Недра,1989. Вып.110, с.98-105.


2.    А.А.Болотов, Г.В.Крылов Совершенствование стимуляции скважин посредством импульсного газодинамического метода.: «Наука и техника в газовой промышленности», - М. №4(16), 2003 - 24-28 с.


3.    Патент РФ №2250986 от 05.07.2003 г. Г.В. Крылов, АА Болотов


4.    ФА. Баум, К.П.Станюкович, Б.И. Шехтер. Физика взрыва - М: ГИФМЛ, 1959, с. 730

Журнал "Горная Промышленность" №2 2006