Устройство на основе термопластичного твердого топлива для импульсной обработки призабойной зоны нефтяного пласта

УДК 662.2-391.4

Р. Ш. Гарифуллин, М. М. Адиева, А. С. Сальников, Н. И. Сальникова, А. А. Мокеев

УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ НЕФТЯНОГО ПЛАСТА

Ключевые слова: устройство, импульсная обработка, нефтяная скважина, нефтяной пласт.

В работе предложена принципиальная схема, принцип действия и результаты расчета основных функциональных параметров устройства для импульсной обработки призабойной зоны нефтяного пласта на основе термопластичного твердого топлива. Основная идея применения данного устройства связана с возможностью создавать многократные импульсы высоконагретых газов, находящихся под избыточным давлением не за счет быстрого сгорания взрывчатых материалов, а за счет медленного накопления газов в корпусе устройства и их регулируемого выпуска в пласт через клапанный узел за одну спускоподъемную операцию. Применение данной конструкции устройства позволит повысить эффективность и безопасность обработки нефтяных скважин.

Key words: device, pulse processing, oil well, oil reservoir.

In the proposed concept, principle of operation and the results of the calculation of the basic functional parameters of the device for pulse processing bottom-hole zones of oil layer based on thermoplastic solid fuel. The basic idea of using this device is associated with the ability to create multiple pulses high speed gases under excess pressure due to rapid combustion of explosive materials, and due to the slow accumulation of gases in the body of the device and their regulated release into the reservoir through the orifice in one tripping operation. The use of this device structure will improve the efficiency and safety ofprocessing of oil wells.

Введение

Газодинамическая обработка призабойной зоны пласта является одним из эффективных способов повышения производительности малодебитных скважин, находящихся на поздней стадии разработки [1-3]. В результате исследований приведенных в работах [4-6] было разработано оборудование на основе термопластичного твердого топлива для проведения технологии газодинамического разрыва пласта без использования взрывчатых материалов. Анализ результатов работы данного оборудования показал, что оно является работоспособным, при этом его основным недостатком является относительно невысокий положительный эффект по дебиту добытой нефти. Данный недостаток связан с тем, что предложенное оборудование функционировало по принципу однократного импульса газов в нефтяносный пласт в результате нарушения целостности разрывной мембраны. С целью повышения эффективности обработки скважин в данной работе предложено устройство для создания многократных импульсов газов за одну спуско-подъемную операцию обработки пласта за счет применения в устройстве специального клапанного механизма вместо разрывной мембраны.

Экспериментальнаячасть

Разрабатываемое устройство предназначено для генерирования импульсных газовых струй, воздействующих на призабойную зону нефтяного пласта динамическим воздействием.

Принципиальная схема устройства приведена на рис. 1.

1 - электрический кабель, 2 - узел запуска устройства, 3 - термопластичное твердое топливо, 4 и 5 - нижняя и верхняя часть полости генерирования, 6 - клапан, 7 - полость сброса, 8 - скважинная жидкость, 9 -сопловые отверстия, 10 - пружина, 11 - отверстия в стенке цилиндра, 12 - поршень, 13 - переточный канал, 14 - управляющая полость Рис. 1 - Принципиальная схема устройства

Корпус устройства имеет три полости: генерирующую полость, с давлением и объемом р^1, которая состоит из двух частей - нижней 4 и

верхней 5, полость сброса 7 - р3V3 и управляющую полость 14 - р2V2. При подаче электрического сигнала с устья скважины через электрический кабель 1 на узел запуска устройства 2 происходит воспламенение твердого топлива и осуществляется послойное выделения газообразных высоконагретых продуктов его горения (далее по тексту газов). Перетекание газов по переточному каналу 13 в управляющую полость 14 определяет рост давления в ее надпоршневой зоне. Это приводит к увеличению равнодействующей сил давления, влияющую на механическую систему клапан 6 -поршень 12, стремящуюся открыть клапан 6. Этому препятствует сила упругости возвратной пружины 10 и давление скважинное жидкости рскв . Когда равнодействующая сил давления становится больше силы упругости возвратной пружины 10, система поршень - клапан начинает движение в сторону открытия клапана (вниз). При этом газ из генерирующей полости 5 начинает истекать в полость сброса 7. Скважинная жидкость 8, находящаяся в полости сброса начинает истекать из сопел 9, направленных на стенки скважины. Истечение газов через рабочий клапан 6 приводит к увеличению давления в полости сброса 7. Нарастание давления в полости сброса определяет увеличение скорости открытия рабочего клапана 6 и расход газов через рабочий клапан увеличивается. Это приводит к увеличению скорости истечения скважинной жидкости 8 из сопловых отверстий 9. По мере расходования скважинной жидкости полость сброса 7 заполняется газами. В результате из сопел вначале истекает струя скважинной жидкости 8, далее степень ее аэрации газами увеличивается вплоть до истечения «чистых» кислотных газов. Потеря газов через рабочий клапан приводит к снижению давления в генерирующей полости 5 и соответственно в надпоршневой зоне управляющей полости 14 Постепенное снижение давления в надпоршневой зоне управляющей полости 14 и снижение давления в полости сброса 7 по мере расходования газов определяет момент закрытия рабочего клапана 6. После закрытия рабочего клапана 6 давление в генерирующей полости 5 опять увеличивается, и рабочий цикл повторяется до полного расходования твердого топлива 3.

Для анализа функционирования и расчета основных функциональных параметров

предлагаемого устройства проведено

моделирование рабочих процессов, протекающих во всех секциях разрабатываемого устройства. Для этого задавались базовыми исходными параметрами разрабатываемого устройства (габаритные размеры устройства, конструкционные параметры полостей устройства и клапанного механизма, параметры шашки твердого топлива и др.), параметрами среды эксплуатации устройства. Данные параметры были получены при разработке термопластичного твердого топлива и оборудования на его основе для проведения технологии газодинамического разрыва пласта в работах [4-6]. В результате моделирования устройства рассчитывали его основные

функциональные параметры, влияющие на эффективность работы устройства - величину и количество импульсов газов за один спуск устройства в скважину и температуру нагрева газов в рабочих полостях устройства. Моделирование функционирования устройства проводили методом конечных элементов, который применим к широкому кругу задач со сложной геометрией оборудования, любыми граничными условиями и нагрузками по методике, описанной в работах [7-8].

Велечина и количество импульсов газов зависят от целого ряда параметров. При этом количество импульсов газов в большей степени будет зависеть от массы твердого топлива, закладываемого в устройство. Устройство с заложенной массой топлива спускают в скважину и процессе его функционирования осуществляется выпуск импульсов газов до полного выгорания твердого топлива, что и определяет количество импульсов газов за один спуск устройства. С учетом того, что диаметр шашки топлива, является велечиной постоянной и по расчетным данным равной 80 мм (ограничен диаметром скважины), количество импульсов газов будет зависить от длины шашки твердого топлива.

Результаты исследований по влиянию длины шашки твердого топлива на количество импульсов газов и время генерирования газов (время работы устройства) приведены на рис. 2.

0,25 0,50 0,75 1,00 1,25

Длина шашки, м — Время генерирования газов $ Количество импульсов

Рис. 2 - Зависимость количества импульсов газов и времениработы устройства от длины шашки твердого топлива

Из данных представленных на рис. 2 видно, что время генерирования (накопления) газов связано с длиной шашки твердого топлива линейной зависимостью и изменяется в пределах 20-155с. График зависимости длины шашки от количества импульсов изменяется по ветви параболе, при этом количество импульсов давления составляет в пределах 15-75шт в зависимости от значений длины шашки изменяющейся в пределах 0,25-1,25м.

Количество (частота) импульсов газов в течение первых 60с работы устройства быстро нарастает и изменяется в пределах 15-45шт. При этом по мере расходования шашки топлива темп нарастания количества импульсов давления снижается из-за увеличения свободного объема в полости

генерирования. Следует отметить, что увеличение длины шашки топлива более 1,25м не целесообразно, так как это приводит к повышению теплонапряженного состояния в полости генерирования и негативно сказывается на работе устройства в целом.

Результаты расчета величины импульса давления (давления выпуска газов) и температуры продуктов реакции кислотной композиции за определенный цикл работы устройства с учетом заданных конструкционных параметров приведены на рис. 3 и 4 соответственно.

И 20 20,5 21 21,5 22 22,5 23 23,5 24 24.5 25 Время работы устройства, с - Р - в полости генерирования ----р - в полости управления — - - Р - в полости сброса

Рис. 3 — Результаты расчета импульса давления кислотных газов в зависимости от времени работы устройства

1 500

300 ----------1

20 20.5 21 21,5 22 22,5 2.3 23,5 24 24.5 25 Время работы устройства, с

Рис. 4 - Результаты расчета температуры кислотных газов в зависимости от времени работы устройства

Из данных представленных на рис. 3 видно, что при накоплении продуктов реакции кислотной композиции в полости генерирование давление возрастает. При достижении определенного давления (соответствует пикам на рисунке) происходит открытие клапана и выброс кислотных газов с импульсом давления порядка 65 МПа из полости сброса. Затем давление в полости сброса резко падает до 10 МПа. Аналогично, но с небольшим отставанием по времени, происходит процесс накопления газов в управляющей полости, которые накапливаются в ней в результате перетока продуктов сгорания из полости генерирования. Запаздывание сброса давления в управляющей полости создает силу, удерживающую клапан в открытом состоянии. При падении давления в полости управления до давления порядка 10 МПа клапан закрывается, и цикл накопления газов с последующим их импульсным выбросом в призабойную зону нефтяного пласта повторяется. В данном случае на рисунке показано три рабочих цикла за период работы устройства равный 25 с.

Из данных приведенных на рис. 4 видно, что в процессе горения кислотогенерирующей

композиции в генерирующей полости интенсивно увеличивается температура, которая на момент открытия рабочего клапана (соответствует пикам на рисунке) составляет порядка 1400К. При истечении горячих газов из полости генерирования температура снижается. Температура газов в полости сброса в момент импульса кислотных газов из сопел устройства составляет порядка 1100К. Дальнейшее снижение температуры происходит в результате расширения газов и теплообмена с окружающей средой. Температура в полости управления повышается до 700К во время заполнения полости горячими продуктами сгорания и снижается во время расширения (при движении поршня вниз в процессе открытия клапана). Снижению температуры газа в это время так же способствует отток продуктов сгорания обратно в генерирующую полость, который уменьшает темп сброса температуры. Ограничению уровня температуры так же способствует интенсивный теплообмен со стенками.

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований установлена принципиальная возможность разработки и функционирования устройства на основе термопластичного твердого топлива для импульсной обработки призабойной зоны нефтяного пласта и рассчитаны его основные функциональные параметры:

- количество импульсов за один спуск устройства составляет 15-75 шт. в зависимости от длины заряда кислотной композиции равной

0.25.1,25м;

- величина импульса давления газов в пласт составляет 65 МПа;

- время одного цикла работы устройства составляет 20-155с в зависимости от длины шашки твердого топлива, равной 0,25-1,25м;

- температура газов в полости сброса в момент импульса газов из сопел устройства составляет порядка 1100К.

Литература

1. Аналитический обзор RPI «Российский рынок нефтепромыслового сервиса» www.rpi-research.com.

2. Аглиуллин, М.М. Разработка и внедрение термобарохимического метода увеличения продуктивности нефтегазовых скважин / М.М. Аглиуллин [и др.] // Вестник Тюменского нефтегазового университета - Тюмень, 2004.- №3.- С. 186-189.

3. Сургучев, М.Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов: учебное пособие / М.Л. Сургучев [и др.]. - М.: Недра, 1976 - 308с.

4. Гарифуллин, Р.Ш. Термогазогенератор на основе термопластичного твердого топлива для обработки нефтяных скважин / Р.Ш. Гарифуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. №2, 2013. - С.64-67

5. Гарифуллин, Р.Ш. Расчет параметров аппаратуры для проведения технологии разрыва нефтяного пласта с применением термопластичного сгораемого материала / Р.Ш. Гарифуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. т. 18, №22, 2013. - С.138-141.

6. Мокеев, А.А. Исследование воспламеняемости

7. Бате, Н., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов/ Н. Бате [и др.]. - М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.

энергонасыщенного материала термоисточника от промышленного электроинициатора / А.А. Мокеев [и др.] // Вестник технол. ун-та. 2015. - Т. 18, №4,С.208-210.

8. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы / Р. Галлагер [и др.]. - М.: Мир, 1984 г. - 428 с.

© Р. Ш. Гарифуллин - канд. техн. наук, доцент каф. технологии твердых химических веществ ФГБОУ ВПО «КНИТУ», rus-garifullin@yandex.ru; М. М. Адиева - магистр той же кафедры, А. С. Сальников - ассистент той же кафедры; Н. И. Сальникова - аспирант той же кафедры; А. А. Мокеев - канд. техн. наук, доцент той же кафедры

© R. Sh. Garifullin - candidate. tehn. sciences, associate professor at the department of solid chemicals KNRTU, rus-garifullin@yandex.ru; M. M. Adieva - Master Degree of the same department; A. S. Salnikov - Assistant of the same Department; N. I. Salnikova - postgraduate at the same department; A. A. Mokeev - candidate. tehn. sciences, associate professor at the department of solid chemicals KNRTU.