ТЕПЛОГАЗОГЕНЕРАТОР ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ ПЛАСТА В ЕГО ПРИСКВАЖИННОЙ ЗОНЕ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована для увеличения фильтрационных свойств перфорированного продуктивного пласта за счет создания в нем трещин.
Известен газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин (патент РФ №2175059, 06.10.1999). Он включает трубчатые заряды твердого топлива, размещенный под ними воспламенительный заряд, геофизический кабель и элементы крепления конструкции. Продолжительность горения зарядов изменяется от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды. Недостатком устройства является малое время воздействия на пласт. Кроме того, значительная часть выделяемой зарядами энергии уходит на подъем жидкости в обсадной колонне. Все это не позволяет осуществить обработку пластов большой мощности или пластов с разнесенными пропластками,
Известен теплогенератор, принятый нами за прототип, для улучшения фильтрации пласта в его прискважинной зоне, включающий контейнер с зарядами твердого топлива, средство соединения контейнера с колонной труб для его доставки в необходимый интервал скважины, твердое топливо в виде цилиндра с осевым сквозным каналом и помещенное в контейнере, средство инициирования горения твердого топлива (патент RU №2312984, 29.11.2006).
Инициирование горения основано на экзотермической реакции кислоты, например, соляной с щелочно-земельными металлами, например, натрием. Согласно известному изобретению, во время спуска в скважину колонну труб заполняют жидкостью с устья скважины. С устья скважины через колонну труб передают избыточное давление на устройство инициирования для осуществления экзотермической реакции, которая сопровождается резким повышением температуры и происходит воспламенение твердого топлива. Предусмотрена возможность работы с пакером, размещенным в верхней части контейнера или на колонне труб, для уменьшения потерь газа по стволу скважины. Во время работы устройства продукты горения заряда твердого топлива проникают в скважину и перфорационные каналы в пласте, создавая в них давление разрыва и трещины.
Недостатком известного устройства является низкая эффективность воздействия на пласты, в которых зоны ухудшенной проницаемости достаточно велики (могут достигать до 10 м) или на пласты с разнесенными пропластками. Для улучшения производительности скважины необходимо, чтобы длина трещин была больше радиуса ухудшенной проницаемости. Чем больше продолжительность импульса, тем больше протяженность трещины. Для увеличения протяженности трещины необходимо предусмотреть возможность управления продолжительностью импульса давления, при этом амплитуда давления не должна приводить к повреждению крепи скважины и другим аварийным ситуациям. В известном устройстве такая возможность отсутствует. Другой недостаток известного устройства - в качестве компонентов инициатора горения используют кислоты и щелочноземельные металлы или комбинации этих металлов. Работа с такими компонентами на скважине представляет опасность. Кроме того, необходимость непрерывного заполнения колонны труб жидкостью с устья во время их спуска в скважину усложняет технологию работ.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы устройства, заключающееся в улучшении фильтрационных свойств пласта за счет образования в нем более протяженных и разветвленных трещин, безопасности инициирования зарядов твердого топлива в контейнере и упрощении технологии проведения работ.
Необходимый технический результат достигается тем, что теплогазогенератор для скважины включает контейнер с группами радиальных отверстий, по меньшей мере двумя, рассредоточенными по его боковой поверхности, средство подвески контейнера в скважине в виде колонны труб, газогенерирующие заряды твердого топлива, по меньшей мере два, с разной газогенерирующей способностью, помещенные в контейнере в зонах радиальных отверстий, инициатор горения адиабатического типа одного из зарядов твердого топлива с меньшей газогенерирующей способностью, канал передачи горения от одного газогенерирующего заряда другому газогенерирующему заряду с заданным временем горения, выполненный с возможностью предотвращения взаимного проникновения продуктов горения, причем длина канала передачи горения составляет 10-25% от длины предшествующего заряда с меньшей газогенерирующей способностью и обеспечивает в совокупности с газогенерирующими зарядами общий режим нестационарного воздействия на прискважинную зону с заданными амплитудой, временем воздействия и нарастанием мощности воздействия.
Кроме того:
на колонне труб размещен пакер выше газогенерирующих зарядов твердого топлива, при этом выше пакера на упомянутой колонне размещен обратный клапан, по меньшей мере один;
канал передачи горения выполнен в виде металлической трубки, имеющей диаметр, меньший диаметра контейнера, внутри которой запрессован заряд твердого топлива с возможностью горения по торцевой поверхности, при этом на концах трубки зафиксированы металлические диски с центральным отверстием под стальную трубку, перекрывающие кольцевое пространство между контейнером и металлической трубкой;
инициатор горения выполнен в виде полого цилиндра, в верхней части которого расположен поршень из алюминия, с уплотнительными кольцами, а в нижней части расположен воспламенительный твердотопливный заряд и герметизирующий диск;
контейнер выполнен в виде набора секций с разъемными соединениями;
заряды твердого топлива выполнены в виде сплошных цилиндров или цилиндров с центральным сквозным каналом, или цилиндров со сквозными периферийными каналами;
контейнер выполнен из отрезков насосно-компрессорных труб;
нижняя часть контейнера выполнена с возможностью установки прибора для измерения давления и температуры в скважине.
Сущность полезной модели.
В отличие от предшествующего уровня техники, полезная модель позволяет регулировать амплитуду и длительность импульса давления в интервале перфорации за счет проведении нескольких циклов воздействия различной мощности. Для этого в контейнере между зарядами твердого топлива, по меньшей мере двумя, расположен канал передачи горения с характеристиками заряда, отличными от характеристик зарядов твердого топлива. С увеличением количества зарядов твердого топлива количество каналов передачи горения соответственно увеличено. В результате обеспечена отсрочка воспламенения нижерасположенного заряда в сравнении с вышерасположенным зарядом. Так как контейнер негерметичный, то заряды в нем горят по торцевой поверхности, а фронт горения движется сверху вниз. Существенное значение имеет длина канала передачи горения от одного газогенерирующего заряда другому газогенерирующему заряду. При длине канала передачи горения 10-25% от длины предшествующего заряда с меньшей газогенерирующей способностью обеспечена возможность, в совокупности с газогенерирующими зарядами, прямого воздействия на пласт в режиме нестационарного, как наиболее эффективного, воздействия на прискважинную зону с заданными амплитудой, временем воздействия и нарастанием мощности. При малых временах воздействия эффект воздействия не успевает проявиться.
Масса зарядов твердого топлива выбрана таким образом, чтобы достичь в скважине давления разрыва пласта и последующего образования трещин, которые могут распространяться, пока в скважине не произойдет спад давления. Падение давления связано с уходом газожидкостной смеси в пласт и процессами теплообмена между продуктами горения, жидкостью и обсадной колонной. Повышение давления выше давления разрыва пласта нецелесообразно из-за возможного повреждения крепи скважины. Поэтому для дальнейшего развития трещин необходимо осуществить еще один, по меньшей мере, цикл повышения давления. Эту функцию выполняет канал передачи горения от одного заряда твердого топлива другому. Он обеспечивает, по существу, задержку воспламенения дополнительных зарядов в контейнере. После этого, следует вторичное повышение давления в скважине до допустимой величины и дальнейшее увеличение длины трещин. Большое значение имеет нестационарность воздействия на прискважинную зону с заданными амплитудой, временем воздействия и нарастанием мощности. Такой режим увеличивает вероятность получения разветвленных трещин увеличенной длины по типу мультифракталов.
Кроме того, отмечается, что пакер, размещенный выше инициатора горения, изолирует затрубное пространство (пространство между обсадной колонной и колонной насосно-компрессорных труб) от области обработки, что позволяет уменьшить потери давления и обеспечивает постепенное нарастание его в скважине при торцевом горении зарядов в контейнере.
Канал передачи горения выполнен в виде трубки, например, из стали, внутри которого запрессован заряд-замедлитель из твердого топлива. Горение заряда-замедлителя происходит также по торцевой поверхности. Время воздействия на пласт задано длиной канала передачи горения и рекомендовано заданным диапазоном значений по данным моделирования. При этом продукты горения вышерасположенных зарядов не проникают к нижним зарядам, так как на концах трубки могут быть установлены, например, диски, каждый из которых имеет центральное отверстие для соосной установки на трубке, с возможностью жесткой фиксации.
Например, при обработке пласта мощностью 8 м на глубине 3000 м (давление разрыва пласта около 75 МПа при гидростатическом давлении 30 МПа) после срабатывания заряда твердого топлива длиной 1 м массой 5 кг время спада давления от максимального значения 75 МПа до гидростатического по предварительному расчету составило 4 с. При средней скорости горения заряда твердого топлива u=40 мм/с в этом диапазоне давлений длина заряда в канале передачи горения составит 4×40=160 мм, что составляет 16% от длины сработавшего вышерасположенного заряда. Следующий цикл воздействия на пласт предусмотрен с увеличенной мощностью зарядом твердого топлива длиной 1,5 м, а длина второго заряда в канале передачи горения составит 240 мм при том же соотношении между ними для обеспечения третьего цикла воздействия с дальнейшим увеличением мощности.
Количество зарядов твердого топлива и, соответственно, каналов передачи горения, соотношение между длиной каналов и длиной вышерасположенных зарядов определяется предварительно путем математического моделирования с учетом мощности обрабатываемого пласта, геолого-техническими характеристиками скважины и баллистическими характеристиками составов заряда и заряда в канале передачи горения.
Суммарная площадь отверстий в каждой из частей контейнера, разделенных каналами передачи горения должна быть не менее площади поперечного сечения контейнера. Проведенные испытания в скважинах показали, что такое соотношение обеспечивает равенство давлений в контейнере и под пакером в интервале перфорации. Это позволяет исключить возможность деформации или разрушения контейнера.
При спуске колонны НКТ в скважину необходимо заполнять их водой для того, чтобы передать давление с устья скважины на устройство инициирования. Для упрощения этой операции средство соединения контейнера с колонной труб для доставки в заданный интервал скважины снабжено, по меньшей мере, одним обратным клапаном для непрерывного заполнения колонны труб водой из затрубного пространства.
Безопасное инициирование зарядов твердого топлива в контейнере предусмотрено, например, с помощью адиабатического устройства, выполненного в виде полого цилиндра, в верхней части которого расположен поршень, например из алюминия, с уплотнительными кольцами, а в нижней части твердотопливный заряд-воспламенитель и герметизирующий диск. При подаче с устья скважины через колонну труб избыточного давления на поршень, его опорный поясок срезается, и поршень в цилиндре движется вниз, сжимая воздух в полости цилиндра. Геометрические размеры цилиндра выбирают так, чтобы при выбранном избыточном давлении на поршень воздух при сжатии нагрелся бы до температуры воспламенения заряда, которая для твердых топлив составляет около 300°С. При горении заряда-воспламенителя давление в цилиндре возрастает, герметизирующий диск срывается и открывает доступ в контейнер продуктов горения, которые воспламеняют заряды в контейнере.
Для обработки перфорированных пластов большой мощности или сложно-построенных коллекторов, где продуктивные пласты разнесены, а также пластов с большими радиусами ухудшенной проницаемости (может достигать 10 м), теплогазогенератор должен содержать достаточное количество зарядов твердого топлива и соответствующее количество каналов передачи горения. В этом случае контейнер, для удобства сборки, выполнен в виде набора секций с разъемными соединениями, причем суммарная площадь отверстий в каждой из частей секций, разделенных каналами передачи горения, должна быть не менее площади поперечного сечения контейнера
Горение зарядов в контейнере происходит по торцевой поверхности. В связи с этим, заряды твердого топлива могут быть выполнены в виде сплошных цилиндров, цилиндров с осевым центральным сквозным каналом и цилиндров со сквозными периферийными каналами.
При больших временах горения в канале передачи он может содержать дополнительные диски, установленные между двумя дисками на концах трубки, для надежного исключения проникания продуктов горения вышерасположенных зарядов к нижерасположенным зарядам.
Как отмечалось выше, отверстия на боковых поверхностях контейнера выбирают так, чтобы обеспечить равенство давлений в контейнере и в скважине. Это позволяет исключить деформацию или разрушение конструкции контейнера. Для упрощения сборки секции контейнера могут быть выполнены из отрезков НКТ.
На чертеже показан общий вид устройства с одним каналом передачи горения.
Устройство спускают в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) 1 в зону расположения каналов перфорации 21. Обратный клапан 2 расположен выше пакера 3 и при спуске устройства происходит непрерывное заполнение НКТ водой из пространства между обсадной колонной 20 и НКТ 1 (затрубное пространство). Инициатор горения состоит из полого цилиндра 8, присоединенного к НКТ 1 и контейнеру 11 муфтами 4, опорной шайбы 5, поршня 6 с уплотнительными кольцами 7, воспламенительного заряда 9 и герметизирующего диска 10. Секции контейнера 11 и 16 с зарядами 15 и 17 соединены муфтой 4, а на боковых поверхностях секций расположены сквозные отверстия 19. Канал передачи горения установлен между зарядами 15 и 17. В трубке 14 расположен заряд 13 канала передачи горения из твердого топлива. На концах трубки зафиксированы диски 12. Заряд 17 опирается на наконечник 18.
В нижней части наконечника 18 может быть установлен прибор, например на резьбовом соединении, для измерения давления и температуры в скважине.
Устройство работает следующим образом.
По команде оператора с устья через колонну НКТ 1 подают избыточное давление, например агрегатом ЦА-320, на поршень 6. После срезки опорного пояска поршень, двигаясь вниз, сжимает воздух в цилиндре 8, который адиабатически нагревается до температуры воспламенения заряда-воспламенителя 9. Продукты горения этого заряда резко повышают давление в цилиндре 8, диск 10 срезается и продукты горения заряда-воспламенителя 9 поступают в контейнер 11 и осуществляют воспламенение заряда 15. После окончания горения заряда 15 воспламеняется заряд канала передачи горения 13, при этом диски 12 препятствуют прониканию продуктов горения заряда 15 к заряду 17. После окончания горения заряда канала передачи горения воспламеняется заряд 17.
Установленный выше пакер 3 исключает движение скважинной жидкости вверх по скважине. Продукты горения заряда 15, истекая в скважину через отверстия 19, создают в интервале перфорации нарастающее давление. После окончания горения заряда 15 воспламеняется заряд канала передачи горения, и рост давления в скважине прекращается. Горение заряда 13 длится в течение заданного расчетного времени, при этом газоприход в скважину практически отсутствует и давление в скважине понижается до гидростатического, после чего воспламеняется заряд 17 и происходит второй цикл нарастания давления в скважине.
При срабатывании заряда 15 в скважине достигается давление разрыва пласта, газожидкостная смесь проникает в перфорационные каналы, раскрывая в пласте трещины, а при срабатывании заряда 17 рост трещин продолжается. Массы зарядов 15 и 17 определяют расчетным путем для создания в пласте трещины, длина которой превосходит радиус ухудшенной проницаемости пласта, которую определяют предварительно по данным гидродинамических исследований.
Контроль воздействия может быть осуществлен после подъема устройства и снятия показаний прибора, регистрирующего давление и температуру в скважине.