sposób zwiększania przepuszczalności porowatych skał osadowych.
advertisement
RZECZPOSPOLITA OPIS PATENTOWY 152 532 Patent dodatkowy do patentu nr Int. Cl.5 G01N 15/08 POLSKA Zgłoszono: 86 07 14 tĘĘ /p. 260613/ Pierwszeństwo CWELIU OfiÓlIA URZĄD PATENTOWY RP Zgłoszenie ogłoszono: 88 03 31 Opis patentowy opublikowano: 1991 09 30 Twórcy wynalazku: Ryszard Skawiński, Leszek Oyrga Uprawniony z patentu: Polska Akademia Nauk# Instytut Mechaniki Górotworu, Kraków /Polska/ SPOSÓB ZWIĘKSZANIA PRZEPUSZCZALNOŚCI POROWATYCH SKAŁ OSADOWYCH Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania przepuszczalności w przepływach, zwłaszcza wody w porowatych skałach osadowych, szczególnie w piaskach i piaskowcach. Podczas różnych zabiegów górniczych, na przykład stosowania wtórnych metod wydo¬ bywania ropy naftowej lub podczas wygrzewania złoża siarki w otworowej metodzie jej wydobywania, do złoża, czyli do skał tworzęcych złoże wtłacza się wodę. Efektywność zabiegu wymaga stosowania dużych wydatków wtłaczania wody do złoża. Bardzo często takie wtłaczanie wody trzeba prowadzić w skałach o małej przepuszczalności dla wody, co ogranicza znacznie wydatki wtłaczania lub zmusza do stosowania wysokiego ciśnienia. Z reguły ponadto w trakcie wprowadzania wody w skałę następuje systematyczny spadek przepuszczalności. Dotychczasowe sposoby polepszania przepuszczalności skał polegają na powiększeniu porów lub szczelin. Znajduję tutaj zastosowanie dwie metody, kwasowanie i szczelinowa¬ nie. Metoda kwasowania polega na wprowadzeniu w skałę różnych roztworów, których za¬ sadniczym składnikiem Jest kwas, przeważnie nieorganiczny. Zadaniem kwasu jest chemicz¬ ne rozpuszczenie skały i powiększenie przez to porów lub szczelin. Metoda szczelinowania polega na wtłaczaniu do złoża odpowiednich roztworów o du¬ żej lepkości, pod dużym ciśnieniem, tak aby wytworzone siły rozsadziły skałę powiększa¬ jąc istniejęce szczeliny lub wytwarzajęc nowe. Poza powyższymi metodami stosuje się sporadycznie inne, takie jak rozsadzanie i kruszenie skał w otworze wiertniczym za po¬ moce detonacji materiałów wybuchowych. Wszystkie powyższe metody sę trudne w technicznym wykonaniu /odpowiednie kwasoodporne pompy, przewody i zbiorniki, pompy wysokociśnieniowe/ i kosztowne, dlatego też stosowanie ich jest mało powszechne, tym bardziej, że efekty stosowania maję na ogół mały zasięg w złożu. 152 532 152 532 2 W skałach objętych działalnością górnictwa naftowego, górnictwa siarkowego i węglowego, naturalnymi jonami wymiennymi sę przeważnie jony sodu, ze względu na obecność solanek w tych skałach. W działalności górniczej, w przypadku konieczności wtłaczania wody w złoże stosuje się z reguły wodę słabo zmineralizowana, czyli o stężeniu jonów znacznie mniejszym niż w pierwotnym roztworze w tych skałach. Powoduje to zmniejszenie się stężenia jonów w roztworze międzyziarnowym i pęcznienie zespołów minerałów iłowych, co prowadzi do wspomnianego powyżej systematycznego spadku prze¬ puszczalności w przepływie. \ t ;0,becnie, nieoczekiwanie stwierdzono możliwość zwiększania przepuszczalności poro¬ watych skał osadowych w przepływie wody i różnych wodnych roztworów przez wykonanie tego zabiegu w sposób najprostszy i najtańszy, przy wykorzystaniu fizyczno-chemicznych zjawisk zachodzących w skałach podczas zmiany składu przepływającego roztworu. Sposób zwiększania przepuszczalności porowatych skał osadowych polega według wyna¬ lazku na tya, że w skałę wprowadza się najpierw wodny stężony roztwór soli dwuwartościowy eh kationów, zwłaszcza chlorku wapnia lub dużych kationów jednowartościowych, zwłaszcza chlorku amonu, a następnie wprowadza się rozcieńczony wodny roztwór wodoro¬ tlenku kationów dwuwartościowych, zwłaszcza wodorotlenku wapnia lub wodorotlenku dużych kationów jednowartościowych, zwłaszcza wodorotlenku amonu. w* proponowanym roz¬ wiązaniu, korzystnie stosuje się wodny roztwór soli o stężeniu 1 do 10%, oraz wodny roztwór wodorotlenku o stężeniu 0,01 do 1%, korzystnie wodorotlenku wapnia o stężeniu 0,15%. Odmiana sposobu zwiększania przepuszczalności porowatych skał osadowych polega według wynalazku na tym, że w skałę wprowadza się wodny roztwór wodorotlenku dwuwartościowego kationu, zwłaszcza wodorotlenku wapnia lub wodorotlenku dużego kationu jednowartościowego, zwłaszcza wodorotlenku amonu. Zjawiska wykorzystane w omawianym sposobie, nazwane wewnętrznym kurczeniem się skały lub wewnętrznym pęcznieniem skały są w istocie zmianami objętości zespołów mi¬ nerałów iłowych znajdujących się w skale, spowodowanymi zmianami rodzaju kationów wymiennych tych minerałów i zmianami stężenia jonów w roztworze międzyziarnowym. Zwiększenie stężenia jonów w roztworze międzyziarnowym powoduje zawsze kurczenie się zespołów minerałów iłowych z wodę, a przeciwnie zmniejszenie stężenia jonów w tym roztworze powoduje pęcznienie tych zespołów. Niezależnie od ogólnego stężenia jonów w roztworze także rodzaj jonów wpływa zasadniczo na zjawiska pęcznienia lub kurczenia się minerałów iłowych. Dony wapnia, jako jony wymienne w minerałach iłowych sprzyjają kurczeniu się zespołów tych minerałów w porównaniu z jonami sodu jako jonami wymien¬ nymi. Kurczenie się minerałów iłowych w skale prowadzi do wewnętrznego kurczenia się skały, czyli do zwiększenia czynnej objętości porowej, w której zachodzi przepływ wody i do zwiększenia przepuszczalności w tym przepływie. W przepływie stężonych roztworów soli wapnia zachodzi wymiana naturalnych kationów wymiennych na kationy wapnia, co w połączeniu z działaniem zwiększonego stężenia roz¬ tworu powoduje kurczenie się zespołów minerałów iłowych, wewnętrzne kurczenie się skały i wzrost przepuszczalności. Dalszy przepływ wody słabo zmineralizowanej w takich skałach o zwiększonej przepuszczalności nieuchronnie powoduje zmniejszenie się przepuszczalności. Aby temu zapobiec, bez konieczności stosowania dalej przepływu stężonego roztworu, we¬ dług wynalzku należy przepuszczać wodny roztwór wodorotlenku wapnia o stężeniu od 0,02% do 0,15% /zależnie od potrzeby/. W takim przepływie zwiększona przepuszczalność uzyska¬ na w poprzednim zabiegu nie tylko nie zmniejsza się, lecz nawet wzrasta, czyli w celu niedopuszczenia do zmniejszenia się przepuszczalności podczas wtłaczania wody do skał osadowych w różnych zabiegach górniczych należy zamiast wody stosować rozcieńczone roztwory wodorotlenku wapnia /wolne od zawiesin/. Z reguły taki zabieg wystarcza do utrzymania poczętkowej przepuszczalności w przepływach w skałach osadowych bez stoso¬ wania stężonych roztworów chlorku wapnia. W skałach bardziej wrażliwych przepuszczalność nawet wzrosta w takim zabiegu. / 152 532 3 Działanie wodorotlenku wapnia można wyjaśnić tworzeniem się nowych centrów aktyw¬ nych w minerałach iłowych w środowisku alkalicznym* Te nowe centra aktywne obsadzone sa. przez kationy wapnia, których powiększona liczba kompensuje wpływ zmniejszonego stężenia roztworu. Wprowadzenie w skały chlorku wapnia lub wodorotlenku wapnia można wykonać różnymi, zwykle stosowanymi metodami, zależnie od głębokości zalegania tych skał, ich przepuszczalności w przepływie wody, mięższości i innych geologicznych i geometrycznych cech złoża tych skał i zależnie od celów jakie należy osiągnąć. Największe efekty zwiększenia przepuszczalności osiąga się stosowaniem jonów wapnia, można jednak zastosować stężone roztwory rozpuszczalnych soli oraz roztwory wodorotlenków Innych jonów wykazujących podobne działanie, zwłaszcza dużych jonów jednowartościowych /jony amonowe/ lub innych jonów wielowartościowych. Sposób zwięk¬ szania przepuszczalności według wynalazku jest prosty i tani w wykonaniu. Stosowane substancje sę łatwo dostępne* wykorzystywane roztwory nie zmieniaję swych własności w czasie, nie sedymentuja i nie wykazuję własności korodujących. Działanie tych roz¬ tworów oparte jest na fizyczno-chemicznych zjawiskach zachodzęcych we współdziałaniu ze składnikami skały. Metody zwiększania przepuszczalności według wynalazku można stosować nie tylko w przypadku wtłaczania wody w skały, lecz również w działalności polegajęcej na pom¬ powaniu wody ze skał. W takim wypadku wprowadzenie działajęcych roztworów w skały musi odbywać się albo przy przerwanej działalności pompowania, albo dodatkowymi otworami w otoczeniu otworu pracującego. W pierwszym przypadku należy się liczyć z wypłukiwaniem wprowadzonych roztworów i koniecznością powtarzania zabiegu, W drugim wypadku, wykorzystania dodatkowych otworów wprowadzajęcych roztwory w strumień wody w skale, należy odpowiednio zaprojektować i wykonać otwory injekcyjne, aby uzyskać najlepsze wyniki. Konkretne zastosowanie metod według wynalazku winno być poprzedzone eksperymenta¬ mi laboratoryjnymi w celu ustalenia najkorzystniejszego składu roztworów i sposobu ich stosowania. Poniżej przedstawiono przykłady wykonania wynalazku, nie ogranicza¬ jące jego zakresu. Przykład I. W próbce piaskowca w przepływie wody przepuszczalność zmniejszała się systematycznie, aż do praktycznego ustalenia się na 0,7 • 10 Następnie, w piaskowcu rozpoczęto przepuszczanie wodnego, 2 m /O,7 mD/. 10% roztworu chlorku wapnia. Przepuszczalność w tym przepływie po 12 dniach ustaliła się na 40*10 czyli następiło 57-krotne zwiększenie przepuszczalności. -15 -15 m 2 /40 mD/, Po ponownym przepuszczaniu wody przepuszczalność zaczęła gwałtownie zmniejszać się i po 12 dniach osiągnęła war¬ tość 0,95 • 10'15 m2/0,95mD/. Przykład II. W próbce piaskowca przepuszczalność w przepływie wody zmniejszała się systematycznie, aż do praktycznego ustalenia się na 1,1-10 -15 2 m /l,lmD/. W tym piaskowcu rozpoczęto następnie przepuszczanie wodnego, 10% roztworu chlorku wapnia. Po 28 dniach przepływu zwiększająca się przepuszczalność ustaliła się na 34,6*10 -15 2 m /34,6mD/, czyli nastąpiło 31,5-krotne zwiększenie przepuszczalności. W celu podtrzymania tej wysokiej przepuszczalności bez konieczności dalszego stoso¬ wania stężonego roztworu chlorku wapnia, przepuszczano dalej wodny 0,1% roztwór wodorotlenku wapnia. Przepuszczalność w tym przepływie nie zmniejszała się, lecz 15 2 przeciwnie, wykazywała tendencję wzrostu i ustaliła się na 49,10 m /49mD/, czyli następiło 44,5-krotne zwiększenie przepuszczalności /w porównaniu do pierwotnej, ustalonej przepuszczalności w przepływie wody/. Przykład III. W próbce piaskowca przepuszczalność w przepływie wody — 15 2 zmniejszała się aż do 4,5#10 m /mD/. Po rozpoczęciu przepuszczania nasyconego wodnego roztworu wodorotlenku wapnia /około 0,15%/ przepuszczalność systematycznie wzrastała i po 23 dniach osiągnęła 22*l0~ m2/22mD/, czyli następiło 5-krotne zwiększenie przepuszczalności. Eksperyment został przerwany pomimo dalszej tendencji wzrostu. 152 532 4 W prowadzonych badaniach uzyskiwano kilka do kilkuset krotne zwiększenie przepusz¬ czalności w przepływie stosowanych roztworów. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób zwiększania przepuszczalności porowatych skał osadowych polegajęcy na przepuszczaniu przez skałę odpowiednio przygotowanych roztworów, znamienny tym, że w skałę wprowadza się najpierw wodny, stężony roztwór soli dwuwartościowych kationów, zwłaszcza chlorku wapnia lub dużych kationów jednowartościowych, zwłaszcza chlorku amonu, a następnie wprowadza się rozcieńczony wodny roztwór wodortlenków ka¬ tionów dwuwartościowych, zwłaszcza wodorotlenku wapnia lub wodorotlenków dużych katio¬ nów jednowartościowych, zwłaszcza wodorotlenku amonu. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w skałę wprowadza się najpierw wodny roztwór soli o stężeniu 1 do lOSÓ, a następnie wprowadza się wodny roztwór wodorotlenku o stężeniu 0,01 do 1%, zwłaszcza wodorotlenku wapnia o stęże¬ niu 0,15%. 3. Sposób zwiększania przepuszczalności porowatych skał osadowych polegajęcy na przepuszczaniu przez skałę odpowiednio przygotowanych roztworów, znamienny t y m, że w skałę wprowadza się wodny roztwór wodorotlenku dwuwartościowego kationu, zwłaszcza wodorotlenku wapnia lub wodorotlenku dużego kationu jednowartościowego, zwłaszcza wodorotlenku amonu. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że * skałę wprowadza się wodny roztwór wodorotlenku o stężeniu 0,01 do 1 %. Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz. Cena 3000 zł
