用于主要是波处理生产层的方法

技术领域

所预期的发明涉及土工技术方法，尤其是涉及通过可控制的物理波作 用在地下生产层上的方法，并可以用于从地球内部回收液态和气态烃类、 水及其它液态和气态有用产品，及用于地球物理研究(探查)中。

现有技术水平

在该技术中已知的是用地震振动源产生的纵向波处理生产层的方法 (地震振动源包括一个地震发生器，一个发射平台，该发射平台具有一个 用于与土壤匹配的系统，和一种附加于其上的土壤体)，该地震振动源安 装在地面上(见，例如，N.P.Ryashentsev等人的，对油藏的受控地震作 用，Preprint，1989，No.31，Novosibirsk，苏联科学院，应用地球物理学专 用设计处(俄文))。现已确定，在沉积岩(砂石、粘士)中，波动能的 平均体积密度与土壤的密度成正比。

在上述方法中，地震信号从信号源传送到生产层的效率低，并且没有 能改变对地层作用的参数的手段。附加到发射平台(底板)上的土壤体使 振动衰减，并且这导致吸收未达到生产层的能量。

还已知的是一种按照1990年在发明公报NO.36中发布的发明人证书 NO.1596081，Cl. E 21B 43/00所述的开发注水油田的方法，该方法包括以 下步骤：用井开发地层；通过一群生产井采收地层流体；用从振动的土壤 源发出的地震信号作用在地层上；通过检索发出的振动频率确定有效作用 的频率；确定在作用之前和之后采收的流体组成和量。找出具有固定油相 的流水油田区，将地震振动源安装在这个区域内的一群生产井上，把测震 仪向下放入其中一个生产井内直达储层深度，在2-3天时间内测量微震背 景，同时测定井中流体中的含油百分率，并在频率检索情况下实施地震振 动作用。在作用完成时，测量微振背景的振幅谱，从该振幅谱中所显示的 附加频率中找出主频率，在此频率下实施作用，地震振动源交替地偏移半 个波长直至井流体中的油含量停止增加为止，并确定地震振动源作用有效 区域的半径，安置若干附加的振动源，并相互间隔开，以使它们之间的距 离等于振动源作用有效区域的直径，并且在主频率下实施地震振动作用。

上述方法由于附加土壤体中的能量损失，所以也是有缺点的，因为土 壤由于存在孔隙和裂缝，而衰减波动，并使对生产层作用的效率降低，尽 管采用振动主频率。此外，由于必须将地震振动源偏移半个波长，所以也 使油生产过程变复杂。

与本发明的方法在技术要素和所达到的效果方面最接近的类似方法， 是按照在1997年NO.13发明公报中所公布的俄罗斯专利RF 2078913，CL. E 21B 43/18所述的开发油气藏的方法。该方法包括：通过注入井注射驱替 剂(顶替剂)，通过生产井采收地层流体；用频率检索从土壤振动源对生 产层实施周期性的地震振动作用；确定在实施该作用之前和之后采收流体 的量；从地层微振动背景对地震振动作用的响应揭示出地层的主频率；及 在主频率下实施附加的地震振动作用。在每个周期中，通过改变注入驱替 剂和采收地层流体的速率，在同时逐步降低地层压力，即每一步降低ΔP 的情况下，实施具有频率检索的周期性地震振动作用。然后确定降低地层 压力的值，该值保证在主频率下地层对地震振动作用的最大响应，并用这 个降低的地层压力值实施附加的地震振动作用。在那以后，使地层压力恢 复到保证最佳地层开发条件的值，并再次对地层实施附加的地震振动作用。

考虑中的这种方法有一个缺点是在土壤附加体中损失能量，因为土壤 附加体由于存在孔隙和裂缝，而使振动衰减，因此地震振动作用的效率降 低。而且，这种已知的方法由于必需改变注入驱替剂的速率而难以完成。

发明提要

本发明所要解决的技术问题，是通过增加土壤附加体(附连体)的体 积中土壤的密度、比重和刚度，提高地震振动信号从安置在地面上的地震 振动信号源传送到生产层的效率。

这个问题是这样解决的：在主要是波处理生产层的方法中，借助于一 个与发射平台一起安置在地面上的地震振动器，对生产层进行波作用，按 照该技术解决方案，在土壤附加体的体积内改变土壤的物理-力学性质。这 些操作的组合，使得能增加地震振动信号从安装在地面上的地震振动信号 源传送到生产层的效率。这是通过减少这种信号在土壤外加体中的损失完 成的，因为它能通过改变土壤的物理-力学性质来减少土壤中的孔隙和裂 缝，并因此，能增加土壤附加体的刚度，它的比重和密度。

合适的是，在对生产层进行波作用之前或之后，改变土壤附加体的体 积内土壤的物理-力学性质。在这种情况下，改变物理-力学性质的操作简 化了，因为它可以在任何方便的时间里实施，而与对生产层实施波作用的 时间无关。在波作用之前实施操作，能得到这个特定的波对生产层作用时 的效果。在波作用之后实施操作，能得到在下一个波对生产层作用时的效 果。

在对生产层进行波作用的过程中，能够改变土壤附加体的体积内土壤 的物理-力学性质。这种解决方案使得对地层的作用更有效，因为排除了土 壤松驰和液体从孔隙和裂缝中蒸发(泄漏)的过程。

合适的是，通过用实际上不可压缩的液体充满土壤中的孔隙和裂缝， 改变土壤附加体的体积内土壤的物理-力学性质。这种解决方案使它能增加 土壤附加体的刚度、比重和密度。而且，用于瑞利波(Rayleigh波)的能 量损失减少。我们将说明这一事实。在介质的表面激发过程中，产生了几 种类型的波。用于它们激发所消耗的能量近似如下：纵向波，8％；瑞利波， 70％；C-波，20％。还知道，在理想流体中，瑞利波不被激发。所提出的 方法提供一种接近理想流体的多相介质(非均匀介质)；因此，出现了一 种能量再分配用于激发不同类型的波。为了激发我们感兴趣的纵向波，花 去7-10倍以上的能量。这最终有助于提高振动信号传送到生产层的效率。

合适的是用水作为实际上不可压缩的液体。这样简化了所提出方法的 实施。

还有合适的是，用一种处于液体聚集态的物质，例如液体玻璃，作为 实际上不可压缩的液体。这种解决方案大大增加了土壤附加体的刚度，密 度，和比重，这样就增强了地震振动信号向生产层的传送。而且，液体玻 璃在环境温度的作用下转变成固相之后，不会蒸发并且不流入土壤附加体 之外的土壤中，因此保证了所得到性质的持久性。

还有合适的是，用一种具有低冰点的液体，比如煤油或防冻液，作为 实际上不可压缩的液体。这种解决方案使它能够，在提供土壤附加体的刚 度、密度和比重增加的同时，在冬天条件下使用所提出的方法。

在冬季条件下，合适的是，在用实际上不可压缩的液体填充孔隙和裂 缝之前将该液体加热。这将使得能够在冻土层深入土壤中不深时采用所提 出的技术解决方案，因此拓宽了本发明在不同天气条件下应用的范围。

合适的是，将水加热至有蒸汽形成：这拓宽了所提出的方法的潜在应 用范围，因为蒸汽比液体能渗入更小的孔隙和裂缝中(一段时间后，蒸汽 在周围土壤的温度作用下转变成液体)。此外，蒸汽可更充分地加热土壤 的薄的冻结层，同时保证水分穿过该冻结层渗入。

合适的是，利用通过打出至少一口井并随后将填充材料加入该井中而 深入压实土壤，改变土壤附加体的体积内土壤的物理-力学性质。这些操作 的结合，使得能提高地震振动信号从安置在地面上的地震振动信号源传送 到生产层的效率，因为在打井的过程中，用被径向推移的土壤填充孔隙和 裂缝。

合适的是，用一种液体，比如水，作为填充材料。这将使得能够除了 增加土壤附加体的体积内土壤的比重、密度、和刚度之外，减少波能的损 失，因为在液体介质中，不形成表面波(瑞利波，勒夫波(Love波))。 在所考虑的情况下，在加水到介质中时，该介质的性质接近液体介质。因 此，这时减小了由形成瑞利波和勒夫波所造成的消耗，但不是完全排除它 们，因为介质实际上还不是液体。

还有合适的是，用松散材料，比如废石或砂，作为填充材料。这种解 决方案在增加密度、比重和刚度方面比前面的解决方案更有效，因为填充 材料(废石或砂)的比重大于水的比重。

在这种情况下，合适的是将松散的材料润湿。这种解决方案还进一步 增加了传送地震振动信号的效率，因为产生表面(瑞利，勒夫)波的可能 性减少了，并且在土壤附加体的体积内土壤的比重、密度、和刚度大大增 加，因为在填充井的松散材料的颗粒之间的间隙，以及在井周围土壤体中 的孔隙和裂缝中都填充了水。

还有合适的是，用水泥浆料作为填充材料。这提供了传送地震振动信 号效率的增加，并且简化了实施各项工作的技术，因为井是在一次操作中 用水泥浆料中所包含的水泥和水一同填充。

还有合适的是，用混凝土浆料作为填充材料。这有助于使土壤附加体 的体积内土壤的重量和密度，比用水、松散材料或水泥浆料增加得更高(混 凝土浆料较重)，并且，在混凝土凝固之后，这有助于附加体刚度的提高。

合适的是，用液体玻璃作为填充材料。由于比水更稠密，所以液体玻 璃在更大程度上有助于在土壤附加体的体积内土壤的密度和比重的增加， 并且在聚集态改变之后，土壤的刚度急剧增加。

还有合适的是，用一种具有低冰点的液体作为填充材料。这种技术解 决方案使它能拓宽该方法对各种天气条件的应用范围，亦即，拓宽了在低 温下工作的范围。

合适的是，在将填充材料加入井中之后，在土壤附加体中再行打井。 这将能压实存在于井中的土壤和填充材料二者，从而土壤附加体的密度和 刚度将增加。

合适的是，在将填充材料加入井中之后，通过伴随着填充材料再次打 井，将填充材料中的水排入外加土壤体中，然后再加入填充材料到最终的 空间中。这种解决方案增加了所提出方法的效率，因为土壤附加体的密度、 比重和刚度由于更大量的填充材料进入了附加体中而增加到更大的程度。

合适的是，将新加入的填充材料润湿。这个操作将有助于增加土壤附 加体的密度、比重和刚度。而且，在随后的沿着装有填充材料的井运行时， 液体将渗入土壤附加体中更大的深度。

还有合适的是，在对生产层的波作用开始之前，实施土壤的初步波处 理。这种操作使得能得到最佳的土壤附加体参数，提供用于地震振动信号 的最有效的传送。这可以借助于在初步波处理中(共振频率)和在对生产 层进行波作用时(主频率)的不同的参数来达到。

附图简要说明

从本发明一个特定实施例的例子和附图，将能更好的理解所提出的技 术解决方案的实质，其中：

图1示出将实际上不可压缩的液体注入土壤附加体中的操作；

图2示出通过打井而深度压实土壤的操作；

图3-4示出用松散材料和液体填充打出的井的操作；

图4示出使打出的井在土壤附加体中变宽的操作；

图5示出用松散的材料和液体填充变宽的井的操作；

图6示出用一锥体动态探测中漂流砂的地震波曲线(震波图)，该锥 体具有横截面为100cm2，其中4-8是实验编号；

图7示出按照动态检测数据得到的黄土状岩石的分布曲线P0，其中1 代表水饱和的壤土(亚粘土)，2代表在地下水位上方出现的固体和半固 体壤土；

图8示出当漂流砂(沙)从激发源后退到距离1时，漂流砂振动幅度 A的衰减，其中1是流动之前的距离，2是流动之后的距离，9，12-16是 实验编号；

图9示出漂流砂的振幅-频率特性曲线(A是振动幅度。振动频率：fo- 驱动力的振动频率，f-经受动态作用的漂流砂振动频率。各条曲线上的数 字代表实验编号)。

本发明的优选实施例说明

现已确定(见附图中图1-4)，在对干燥土壤和饱含水分的土壤进行地 震作用时，观察到不同的信号传输：在饱含水分的土壤中，信号参数超过 对干燥土壤作用时所得到的那些信号参数的3-8倍(见，比如， A.Ya.Rubinshtein，B.I.Kulachkin，土壤的动力学探测，莫斯科，《矿藏》， 1984，pp.33，35，70(俄文))。例如，图6示出在动力学探测中漂流 砂流动的地震波曲线。从正脉冲看，在饱含水分的土壤中它超过在干砂情 况下得到的信号的7倍；而从负脉冲来看，差别是10倍。图7示出土壤力 学性质综合指标分布曲线，这种指标是常规的动态电阻PD，该动态电阻 PD借助于已知的数学关系确定土壤易变性的特点和分离层力学性质不均 匀性程度，用于定性评估它们的易变性。

饱含水分的壤土的振动频率是干壤土振动频率的两倍；图8示出漂流 砂振动幅度A，随着流砂离开激发源距离1，的衰减曲线。从曲线图可以 看出，在流动之后(用虚线示出)，振动幅度是干砂振动幅度的2-3倍； 图9示出漂流砂的振幅-频率特性曲线，从该图可以看出，一定频率的驱动 力的固定振动，与每个随后的脉冲一起，全都造成土壤的更大破坏，并降 低后者的振动频率。

这个过程持续到驱动力的振动频率fo接近土壤的自然振动频率f时为 止。然后土壤振动的幅度急剧增加，并且土壤变成流动的。

所提出的波处理，主要是生产层的波处理的方法的实质是，通过向土 壤外加体的孔隙和裂缝加入填充(松散的或润湿的)材料，或者实际上是 不可压缩的液体向土壤外加体，而人为地增加土壤附加体的比重和密度， 从此也增加土壤附加体的重量及其刚度。这可以用两种不同的方法来完成。 可以用一种实际上不可压缩的液体(水、煤油、防冻液或者包括油和水的 混合物的井液)灌注打出的井以及土壤的附加体。另外，更合适的方法是， 通过打出至少一个井并在随后将一种填充材料如水、松散材料、水泥或混 凝土浆料、液体玻璃、一种具有低冰点的液体，等等加入井中，机械地深 度压实附加体体积内的土壤。对其中具有松散材料的井，可以充注水，水 渗入井周围的土壤附加体中。

现在我们将考察这些方法。

振动器1(图1)安装在发射平台(图中未示出)上，该发射平台通常 从地面深入到土壤2中。土壤2的附加体3，在图1中用虚线示出，由振 动器1的作用区域限定。振动器1可以是任何结构，并可以按任何原理工 作，亦即，它可以包括旋转体或者一个撞锤，该撞锤通过气动或液压驱动 而运动并锤击发射平台，等等。在对生产层开始地震振动作用之前，通过 注射器4，5将实际上不可压缩的液体注入土壤2的附加体中。水，液体玻 璃，煤油，汽油，防冻液都可以用作这种液体。图2示出通过打井6-8而 深度压实土壤2的操作。注射器4，5和井6-8可以设置在振动器1的周围， 并且甚至可以设置在该振动器1的下方(通常是在安装振动器1之前设置)。 井6-8可以是垂直的或倾斜的，并充填一种松散的材料9(图3)或充填实 际上不可压缩的液体、水泥或者混凝土浆料。在使用具有较小冲击能的气 动冲杆时，井可以分几个步骤打进。为了做到这点，首先打小直径的井6-8， 该井6-8的直径等于气动冲杆杆体的直径(气动冲杆在图中未示出，因为 它是众所周知的用于通过土壤压实打井的装置)。然后通过重复驱打使井 6-8扩宽(图科4中，示出井8部分地扩宽，也即，处于正在扩宽过程中)。 然后将填充材料(松散材料、实际上不可压缩的液体、水泥或混凝土浆料， 等等)加入打出的井6-8中。

增加土壤2的附加体3的密度，比重和刚度可以在对生产层进行波作 用之前或之后完成。在这种情况下，分别进行对生产层的波作用的操作和 改变土壤附加体3体积内土壤2物理-化学性质的操作。如果后一操作在波 作用之后进行，则必须在地震振源的发射平台中设置若干开口，用于将注 射器4，5安装在这些开口中，或是用于穿过这些开口将汽动冲杆插入土壤 2中。也可以围绕振动器1的发射平台打斜井6-8，或是将注射器4，5倾 斜地插入土壤2中(打井6-8时将它们周围的土壤2压实)。这预定首先 用排挤的土壤2填充孔隙和裂缝，而这会导致增加土壤2的附加体3的刚 度。随后用松散的材料9，尤其是不可压缩的液体等填充井6-8(图3，5)， 导致增加土壤2的附加体3的比重、密度和刚度。

当开动振动器1时，地震振动脉冲通过土壤2的附加体3更有效地传 输到生产层，因为更刚性的土壤2的附加体3促进了它。应该考虑的是， 选定的液体实际上是不可压缩的(在形成压力的范围内)。因而，液体增 强了土壤的骨架。在利用热液体(水)的情况下，所提出的方法在冬季条 件下是有效的，当气温低于0℃时，土壤2的表面冻结层已经形成。热的 液体使这个冻结层变暖，并渗入土壤2的附加体3的深处。

当液体加热时，形成蒸汽。在冬季条件下，这有助于更强地使土壤2 的冻结层变热。此外，出现的一个新的效果是蒸汽能充满液体不易充入的 细小孔隙和裂缝。结果土壤2的附加体3更完全地充满液体(随着时间推 移，已进入微型孔隙或微型裂缝的蒸汽转变成水，而这正好是增加土壤2 的附加体3的比重、密度和刚度所必需的)。

当在低温条件下工作时，必须使用具有低冰点的液体，例如，煤油， 汽油或防冻液：这将使土壤2的附加体3对冻结不敏感，并因此，赋予在 冬季条件下工作的机会。若在低温条件下使用现有的具有发射平台的地震 振动源，会导致平台破裂。

这种现象与土壤2的附连体3中存在的水冻结并排挤到发射平台边沿 处有关。结果，发射平台在周边处悬垂。在发射平台的中央处产生的扰动 力造成发射平台弯曲和断裂。如果采用不结冰的液体(防冻液、煤油、汽 油)，则这种现象不会发生，并且发射平台的使用寿命增加。从经济观点 看，土壤2在其附加体3(当使用，比如防冻液时)的体积内的局部污染 是不重要的。

作为实际上不可压缩的液体，可以使用水、防冻液、汽油、煤油、液 体玻璃，随着温度改变，可以改变它们的聚集态，变成固相。也可以用含 有液体组分和固体组分的混凝土或水泥浆料，作为填充材料。在这种情况 下，向固相的转变与时间有关。在凝固时，在土壤2的附加体3中的这些 材料增加了附加体3的刚度，密度和比重，因此发射平台的质量可以做得 较小(证据在下面给出)。

土壤的深度压实可以用两种方法进行：a)反复驱打一个井，并加入填 充材料(在每次驱打之后或结束时，在最大直径的井打出之后)；b)打多 个井(井网系统)并将填充材料加入其中。

在低功率气动冲杆情况下，土壤2的压实是通过在土壤2的附加体3 中反复驱打垂直井或斜井6-8(图4，5)进行的。首先，通过由于土壤2 的径向偏移(排挤)而深度压实土壤2，而打出小直径井6-8。这样小体积 土壤2被朝径向方向排挤偏移，因而预定用偏移的土壤2填充孔隙和裂缝。 然后用同一动冲杆，通过另外的驱打，使打出的井(图4)变宽。可以在 每次驱打之后或是在各井最终变宽之后，将填充材料(松散的材料9，湿 的或干的(随后润湿))加入井6-8中。在后一种情况下，气动冲杆将沿 着填充的井6-8行进，同时径向移动带有水的松散材料9以及在井6-8外 面的土壤2。

土壤2附加体3的比重增加，使它能得到额外的效果，该额外的效果 在于减少地震振动源的质量。我们将通过例子来说明这点，在这些例子中， 土壤2的附加体3具有不同的密度和比重。

让我们考虑地震振动源对生产储藏的作用，该生产储藏具有生产层厚 度h＝75m；朝向垂直于生产层的弹性波传播速度，V＝600m/s；振动器1 的扰动力p＝100t，振动器安装在发射平台上，发射平台从地面深入到由含 粘土的壤土砂(粘砂土)构成的土壤2中，土壤2具有下列特点：在压实 后和压实前土壤2的密度分别为ρ1＝2.5t/m3；ρ2＝1.87t/m3；弹性模量 E＝10·103t/m3；横向弹性变形系数μ＝0.25。

在产生的地震波通过的重现性系数K＝1，2，3，4(作为例子，令K＝1) 情况下，让我们求出生产层的共振频率 ${\omega }_{\mathrm{res}.\mathrm{form}.}=\frac{\mathrm{\pi V}}{h·k}$ ${\omega }_{\mathrm{res}.\mathrm{form}.}=\frac{3.14·600}{75.1}=25.131/s$ 或f＝4Hz

已知扰动力，F＝100t，在比动力载荷q＝2.8t/m2情况下，让我们求出发 射平台的面积S： $S=\frac{F}{q}=\frac{100}{2.8}=35.7m^2$

发射平台等量减少的半径 $r=\sqrt{S/\pi }=\sqrt{35.7/3.14}=3.37m.$

土壤2的附加体3由公式mgr＝1.17ρ·ro3确定。

对于密度分别为ρ1和ρ2的土壤2，我们将有

                    mgr1＝1.17·2.5·3.373＝112t

                    mgr2＝1.17·1.87·3.373＝83.7t

让我们由下面公式求出土壤2的附加体的刚度 $C=\frac{2E·\sqrt{S}}{1-{\mu }^2}=\frac{2·10{·10}^3·\sqrt{35.7}}{1-{0.25}^2}=12.73·{10}^{4}t/m.$

让我们求出振动源的质量mvibr.s. $m_{\mathrm{vibr}.s.}=\frac{C}{{{\omega }^2}_{\mathrm{res}.\mathrm{form}}}=\frac{12.73{·10}^4}{{25.13}^2}=0.02{·10}^4=200t$

让我们从公式mvibr.＝mvibr.s.-mgr，对密度为ρ1和ρ2的土壤2，求出振 动器1和发射平台的质量：

mvibr.1＝200-112＝88t

mvibr.2＝200-83.7＝116.3t。

结果，我们得到，随着土壤2的附加体3的比重增加，振动器1和

发射平台的质量减少(在研究中的情况下减少28.3t)。

土壤在其附加体的体积内的物理-力学性质可以以与振动对生产层 作用(在主频率下)相同的方式变化。

然而，附加体和生产层位于不同深度处，具有不同的物理-力学性质， 并因此，它们处理的共振频率和主频率可以显著不同。因此，合适的是 首先是在土壤附加体的体积内进行改变物理-力学性质，在共振频率下进 行初步的波处理的工作，然后在主频率下对生产层进行振动作用，这从 增加采油率的观点看来是最佳的。