Изучение структуры и эксплуатационных характеристик в зависимости от времени хранения состава термоисточника, изготовленного в условиях повышенной влажности (80-85%)

ПРОБЛЕМЫ НЕФТЕДОБЫЧИ, НЕФТЕХИМИИ, НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ

УДК 662.21

А. С. Солдатова, И. Ф. Садыков, А. А. Марсов,

А. А. Мокеев, Д. А. Хадиева

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВРЕМЕНИ ХРАНЕНИЯ СОСТАВА ТЕРМОИСТОЧНИКА, ИЗГОТОВЛЕННОГО В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ

Ключевые слова: нефтяная скважина, термоисточник, повышенная влажность, микроструктура, скорость горения, прочностные характеристики, время хранения.

Исследованы структура и эксплуатационные характеристики состава термоисточника при приготовлении состава в условиях влажности 80 - 85 % в зависимости от времени хранения от 7 до 30 суток.

Keywords: an oil well, a thermosource, the raised humidity, micro-structure, speed of burning,

прочностные characteristics, a storage time.

The structure and operational characteristics of structure of a thermosource are investigated at preparation of structure in the conditions of humidity 80 - 85 % depending on a storage time from 7 till 30 days.

В настоящее время для обработки нефтяных скважин нашли широкое применение устройства с использованием термоисточников на основе композиции из аммиачной селитры (АС) и эпоксидного компаунда (ЭК), обладающие рядом преимуществ перед существующими композициями. Термоисточники на основе этой композиции используются как самостоятельно, так и в устройствах для термоимплозионной обработки скважин, а также в качестве генераторов импульсного давления [1-5]. Технологии с использованием термоисточников относятся к, так называемым, экспресс - технологиям, впервые разработанными в КГТУ.

Экспресс-технологиями обработки скважин называются быстрые технологии, обеспечивающие эффективность обработки не ниже существующих технологий, но обладающих высокой производительностью и рентабельностью за счет интенсификации процессов и комплексного воздействия параметров на призабойную зону пласта (ПЗП) в одной технологической операции. Универсальными, практически единственными и уникальными источниками энергии для реализации экспресс-технологии обработки скважин являются энергонасыщенные материалы, представляющие твердые газогенерирующие композиционные смеси, формируемые в пластмассовом корпусе в виде термоисточников. Действие их основано на выделении энергии в результате химической реакции горения непосредственно в забое скважины, в котором создаются одновременно высокие давления, температуры и газообразные продукты, приводящие также к импульсным, волновым, репрессион-

ным и депрессионным воздействиям. Все это обеспечивает в одной технологической операции комплексную обработку с высокими параметрами воздействия на ПЗП [1].

Термоисточник представляет пластмассовый корпус из ПВХ, снаряженный указанным составом и герметизированный с обоих торцов. Такая конструкция позволяет использовать термоисточники в условиях жидкой среды и давления в скважине [2].

Производство термоисточников, ввиду высокой способности АС к увлажнению, осуществляется в специализированной мастерской, в условиях отапливаемого помещения, позволяющих поддерживать нормальную влажность (50 - 55 %).

В период отсутствия отопления влажность в помещении мастерской может достигать 80 - 85%, что может сказаться на качестве изготовляемого термоисточника. В связи с этим актуально изучение возможности разработки способа изготовления композиции термоисточника ТИМ в условиях повышенной влажности при сохранении ее физической стабильности (прочностные характеристики, микроструктура и скорость горения) при хранении и эксплуатации.

Исходный состав представляет штатный сгораемый композиционный материал на основе аммиачной селитры и эпоксидного компаунда с добавлением бихромата калия.

Рецептура базового состава, % мас.: аммиачная селитра (АС) - 72, эпоксидный компаунд (ЭК) - 25, бихромат калия (БК) - 3. ЭК включает эпоксидно-диановую смолу марки ЭД-20 высшего сорта, ГОСТ 10587-84 (76 %), отвердитель марки Агидол АФ-2, ТУ 2494511-00203521-94 (16 %), пластификатор ЭДОС, ТУ 2493-003-13004749-93 (8 %). Теоретическая плотность состава 1,57 г/см3, фактическая плотность 1,45 - 1,47 г/см3. Скорость горения 2 - 4 мм/с в пределах давления 0,1-20 МПа [4-6].

В пределах нормальной влажности в помещении (до 55%) при смешении компонентов штатной рецептуры интенсивность процесса нагрева и выделения тепла за счет взаимодействия стехиометрического соотношения отвердителя и эпоксидной смолы является, очевидно, достаточным для сохранения смеси от дальнейшего увлажнения.

При повышенной влажности помещения (80-85%), по-видимому, увлажняемость смеси в процессе смешения можно предотвратить за счет некоторого увеличения содержания отвердителя по отношению к эпоксидной смоле, при котором будет происходить дополнительное воздействие тепла, и испарение влаги в смеси. Увеличение содержания от-вердителя в композиции, однако, должно быть оптимальным, не позволяющим быстрое схватывание смеси и сохраняющим высокую пластичность за период приготовления смеси, и снаряжения ею корпуса термоисточника, а также сохраняющим физическую стабильность термоисточника в период гарантийного срока хранения и эксплуатации.

Для исследования выбраны пять вариантов рецептуры, с увеличенным содержанием отвердителя (АФ-2), по сравнению со штатным, и соответственно, уменьшением эпоксидной смолы (ЭД-20). Рецептуры вариантов приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Рецептуры исследуемых составов

Содержание компонентов, % Штатный состав Состав I Состав II Состав III Состав IV Состав V

АС 72 72 72 72 72 72

БК 3 3 3 3 3 3

ЭДОС 2 2 2 2 2 2

ЭД-20 19,0 18 17,5 17 16,5 16

АФ-2 4,0 5 5,5 6 6,5 7

Изменение процентного соотношения производилось расчетами, по которым процентное соотношение отвердителя в составе эпоксидного компаунда для каждой последующей рецептуры увеличивалось на постоянную величину 2,17 %.

Для определения прочности на сжатие (асж, кгс/см ) из предварительно подготовленного при влажности 80 - 85 % состава формируется в ПВХ корпусе цилиндрический образец. С торцов образец герметизируется. С течением определенного времени (7 и 30 суток) из этого образца вырезается слой толщиной 20 мм, ПВХ корпус снимается. Далее опытные образцы испытываются на гидравлическом прессе 2ПГ-10 (ПСУ-50). Срезанный торец цилиндрического образца вновь герметизируется.

Для определения микроструктуры из предварительно подготовленного при влажности 80 - 85 % состава формируется в ПВХ корпусе цилиндрический образец. Высота слоя состава термоисточника составила И = 159 мм и диаметр Ь = 59 мм, плотность р = 1,47 г/см3. С торцов образец герметизируется. С течением определенного времени (7 и 30 суток) из этого образца вырезается слой толщиной 15 мм. Поверхность испытуемого образца шлифуется шкуркой и обрабатывается ацетоном. Далее микроструктура опытных образцов изучается под микроскопом. Срезанный торец цилиндрического образца вновь герметизируется.

Для определения характеристик горения из предварительно подготовленного при влажности 80 - 85 % состава формируется в ПВХ корпусе цилиндрический образец, устанавливается узел воспламенения, затем торцы герметизируются. Высота слоя состава термоисточника составила И = 93,0 мм и диаметр Ь = 59 мм, масса т = 368 г, плотность р = 1,45 - 1,47 г/см3. Далее опытные образцы испытываются на стендовой установке, имитирующей скважинные условия. Определяется изменение давления от времени сгорания, затем рассчитывается по нему зависимость скорости горения от давления при различном времени хранения образцов.

Были изготовлены образцы пяти рецептур состава термоисточника в условиях повышенной влажности (80 - 85 %) и исследованы на прочность на сжатие через определенное время (7 суток, 30 суток). Результаты испытаний приведены в табл. 2 и рис.1.

Таблица 2 - Результаты испытаний на прочность образцов, изготовленных в условиях повышенной влажности через определенное время хранения

Содержание компонентов, % Штатный состав Состав I Состав II Состав III Состав IV Состав V

/ 3 р, г/см 1,46 1,47 1,46 1,47 1,47 1,48

7 суток

<уСж , МПа 3 29,0 29,7 32,0 50,3 47,3

30 суток

(Усж, МПа 5 30,0 30,5 33,6 54,9 47,3

Как известно, образцы состава штатной рецептуры (4% отвердителя), изготовленные при нормальной влажности (50-55%), имеют через 30 суток хранения прочность на сжатие, равную 41,0 МПа. Образцы этого же состава штатной рецептуры, но изготовлен-

ные в условиях повышенной влажности (80-85%), как показали эксперименты, имеют прочность на сжатие, равную 5,0 МПа через 30 суток хранения, что существенно ниже требуемой прочности. Это свидетельствует о значительном количестве влаги в составе, которое не обеспечивает необходимой адгезии эпоксидного компаунда к частицам окислителя и поэтому проявляет низкую прочность образца.

Количество отвердителя АФ-2, %

Рис. 1 - Зависимость прочности на сжатие испытуемых образцов от времени хранения в течение 7 и 30 суток

Для образцов состава с увеличением содержания отвердителя прочность их начинает возрастать, особенно в области содержания отвердителя от 4 до 5 %, затем в области от 5 до 5,5 % имеет место замедление увеличения прочности, после которого она опять значительно возрастает, достигая максимума при 6,5 % содержания отвердителя в составе образца. Величина прочности при 6,5 % содержании отвердителя составляет 50,3 МПа через 7 суток хранения и 54,9 МПа - через 30 суток, что является оптимальной, т.к. при содержании отвердителя, равного 7 %, величина прочности образца снижается. Это связано, по-видимому, с тем, что часть отвердителя за пределами максимума не участвует в процессе отверждения эпоксидной смолы и сохраняется в жидком состоянии, вследствие чего прочность образца снижается. В связи с этим, для дальнейшего исследования была выбрана рецептура IV с содержанием АС - 72%, БК - 3%, ЭДОС - 2%, ЭД-20 - 16,5%, АФ-2 - 6,5% (табл. 1).

Микроструктура образцов, приготовленных в условиях повышенной влажности, в зависимости от времени хранения приведена на рисунке 2.

Изучалась микроструктура (продольный и поперечный разрезы, центральная и периферийная части при увеличении 1,6х12, 2,6х12) образцов состава IV (табл. 1), приготовленных в условиях повышенной влажности (80-85%), через 6 часов, 7 дней и один месяц хранения в герметичном ПВХ корпусе при комнатной температуре 15-200С.

Рис. 2 - Фото микроструктуры образцов, изготовленных при влажности 80-85 % в зависимости от времени хранения: а) 6 часов хранения; б) 7 суток хранения; в) 30 суток хранения. Увеличение микроскопа 1,6 х 12

Микроструктура образцов через 6 часов хранения (рис. 1а) показывает достаточно равномерное распределение компонентов с четкой границей раздела частиц аммиачной селитры 1, имеющих белый цвет, дисперсностью от 0,2 до 0,6 мм и частиц бихромата калия красного цвета 2, дисперсностью от 0,2 до 0,7 мм, окруженных слоем эпоксидного компаунда желтого цвета. Различие микроструктуры в центральной и периферийной частях, а также в поперечном и продольном срезах не наблюдается. Эти результаты подтверждают достаточно высокое качество смешения композиции и ее равномерное уплотнение по объему образца. Общая картина микроструктуры через 7 дней хранения (рис. 1б) сохраняется, но изменяется цветность частиц компонентов: частицы АС приобретают слегка желтоватый оттенок, частицы БК - светло-коричневый цвет, а слои ЭК - зеленоватый цвет. Изменение цветности компонентов, очевидно, связано с процессом отверждения (полимеризации) эпоксидного компаунда, т.к. именно при отверждении компаунд теряет прозрачность, становится более матовым.

После срока хранения, равного 1 месяцу (рис. 1 в), можно также различить границы раздела компонентов, но они менее выражены. Наблюдается уменьшение общего количества более крупных частиц АС, что, по-видимому, связано с их частичным разрушением и измельчением. В результате этого увеличивается зона поверхности белого цвета из более мелкодисперсных частиц АС.

Таким образом, микроструктура после одного месяца хранения отличается от первоначального изменением цветности и дисперсности частиц АС. Такие изменения характерны и для микроструктур композиции, приготовленной в условиях нормальной влажности. Все это указывает на то, что предложенный способ приготовления композиции в условиях повышенной влажности является достаточно эффективным, сохраняющим качественную структуру композиции.

Важной эксплуатационной характеристикой состава термоисточника является скорость горения (и, мм/с). Образцы состава рецептуры IV для определения скорости горения были изготовлены по вышеизложенной методике. Изменение давления от времени сгорания представлено на рис. 3, а рассчитанная по нему зависимость скорости горения от давления при различном времени хранения образцов представлена на рис. 4.

Как видно из рисунков, образцы со сроками хранения 7 суток и 30 суток имеют незначительные различия характеристик горения. Кривые зависимости давления от времени

горения

Таблица 3 - Результаты сжигания образцов, приготовленных в условиях повышенной влажности (80 - 85 %) при хранении 7 суток и 30 суток

а б в г д е «лЛ

7 суток хранения

Т с 10 20 30 35 40 44 48

Р, атм 7 26 84 120 165 211 265

и, мм/с 0,24 0,67 2,04 2,52 3,14 4,04 4,74

30 суток хранения

Т с 10 20 30 35 40 46 49

Р, атм 9 25 83 123 176 257 311

и, мм/с 0,27 0,65 2,10 2,61 3,66 5,1 5,64

Время, сек

Рис. 3 - Зависимость давления от времени горения при хранении образцов (7 суток -нижняя кривая, 30 суток - верхняя кривая), изготовленных в условиях повышенной влажности

Рис. 4 - Кривая изменения скорости горения от давления для образцов, изготовленных при влажности 80 - 85 %, при времени хранения 7 суток - нижняя кривая, 30 суток - верхняя кривая

Таким образом, у образцов, изготовленных в условиях повышенной влажности (80 - 85 %) с рецептурой IV (табл. 1); при хранении 30 суток прочностные характеристики (прочность на сжатие) и скорость горения несколько выше, чем у образцов, хранившихся 7 суток. Это можно объяснить тем, что аммиачная селитра незначительно впитывает связующее - эпоксидный компаунд и, тем самым, упрочняется структура образцов, что приводит к повышению прочности на сжатие и, соответственно, к возрастанию скорости горения образцов при их хранении.

Характер изменения давления и скорости горения практически соответствует параметрам этих значений для образцов, изготовленных при нормальной влажности.

Таким образом, характеристики горения образцов термоисточника, изготовленных в условиях повышенной влажности с оптимальным увеличением в составе количества от-вердителя до 6,5 % (то есть с рецептурой: АС - 72%, БК - 3%, ЭДОС - 2%, ЭД-20 - 16,5%, АФ-2 - 6,5%), соответствуют характеристикам образцов, изготовленных при нормальной влажности. Это свидетельствует о том, что предложенный способ приготовления состава, в условиях повышенной влажности, обеспечивает достаточную физическую стабильность эксплуатационных характеристик термоисточника по скорости горения и прочностным характеристикам.

Литература

1. Садыков, И.Ф. Основные результаты и внедрение новых экспресс-технологий и перфорацион-но-имплозионной обработки малодебитных скважин / И.Ф Садыков [и др.] - НТВ «Каротаж-ник», Тверь: Изд. АИС, 2001. - вып. 86. - С. 57 - 60.

2. Пат. 2075597 Российская Федерация, кл. Е 21 В 43/25. Устройство для обработки призабойной зоны скважины / Садыков И. Ф., Архипов В. Г., Есипов А. В., Антипов В. Н., Минибаев Ш.

Х.; заявитель и патентообладатель Садыков И. Ф. № 95105136/03; заявл. 05.04.1995; опубл. 20.03.1997, Бюл. № 8.

3. Пат. 2138630 Российская Федерация, кл. Е 21 В 43/18. Устройство для обработки призабойной зоны скважины / Садыков И. Ф., Антипов В. Н., Есипов А. В., Минибаев Ш. Х., Мухутдинов А. Р.; заявитель и патентообладатель ООО фирма «Силен» № 99105633/03; заявл. 29.03.1999; опубл. 27.09.1999, Бюл. № 27.

4. Пат. 2133663 Российская Федерация, кл. Е 21 В 43/18, 009К 8/70. Устройство для обработки призабойной зоны скважины / Луканин В. Л., Коробов Ю. С.; заявитель и патентообладатель гос. Объединение «Уральский завод транспортного машиностроения» № 97118983/02; заявл. 19.11.1997; опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36.

5. Пат. 2334873 Российская Федерация, кл. Е 21 В 43/263. Способ обработки призабойной зоны пласта скважины и погружной генератор импульсов давления для его осуществления / Садыков И. Ф., Марсов А. А., Хисамов Р. С., Мигранов И. Г.; заявитель и патентообладатель общество с ограниченной ответственностью «Нефтеимпульс» № 2006115267/03; заявл. 03.05.2006; опубл. 27.09.2008, Бюл. № 27.

6. Вестник Казанского технологического университета: журн. / Казань: КГТУ, 2009, №1. - 268с.

© А. С. Солдатова - асп. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ, 81егл8оЫа-tov@mail.ru; И. Ф. Садыков - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; А. А. Марсов - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; А. А. Мокеев - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; Д. А. Ха-диева - студентка той же кафедры, diljara88@mail.ru.