УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДАВЛЕНИЯ СКВАЖИННЫЙ
UNIVERSAL SOLID-FUEL WELL PRESSURE GENERATOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к твердотопливным генераторам давления, предназначенным для термобарохимической обработки продуктивного пласта с целью интенсификации нефтегазодобычи.
Задачами изобретения являются:
- создание универсальной конструкции твердотопливного генератора давления для различных корпусных и бескорпусных импульсных устройств;
- создание конструкции твердотопливного генератора давления с регулируемыми рабочими характеристиками: максимальным давлением продуктов сгорания, импульсом давления и временем его работы;
- обеспечение оптимальных значений основных параметров твердотопливного генератора давления для воздействия на продуктивный пласт нефтегазодобывающей скважины в зависимости от ее эксплуатационного состояния и горно-геологических особенностей;
- повышение эффективности действия.
Известен большой ряд твердотопливных генераторов давления, предназначенных для применения в различных устройствах, используемых для термобарохимического воздействия на продуктивный пласт, например:
RU 97118482 А, 10.07.1999
RU 97118480 А, 27.08.1999
RU 2151282 C1, 20.06.2000
RU 2175059 С2, 20.10.2001
RU 2277167 C1, 27.05.2006
RU 2311530 C1, 27.11.2007
RU 2413069 C2, 27.02.2011
RU 2011104812 A, 20.08.2012
RU 2465447 C1, 27.10.2012
RU 2460877 C1, 10.09.2012
RU 2011111945 A, 10.10.2012
RU 2471973 С2, 10.01.2013
RU 2471974 C2, 10.01.2013
RU 2502867 C2, 27.12.2013
RU 2503807 C2, 10.01.2014
RU 2012152700 A, 20.06.2014
Наиболее близким к предлагаемому решению по назначению, конструкторскому исполнению и функционированию является пороховой генератор давления облицовочный, представленный в патенте RU 2465447 C1, 27.10.2012, взятый авторами за прототип.
Твердотопливный генератор давления по данному изобретению представляет собой единый пороховой заряд, выполненный в виде трубы, собранный из стержневых трубчатых элементов баллиститного артиллерийского пороха, которые скрепляются между собой по внешним образующим (боковым поверхностям) путем склеивания нитроцеллюлозным клеем. Пороховой генератор давления закрепляется на корпусе кумулятивного перфоратора или других импульсных устройств один за другим. Предлагаемое решение может использоваться и в виде порохового генератора давления облицовочного, опускаемого в скважину на геофизическом кабеле и воспламеняемого с помощью детонирующего шнура, работающего в режиме горения. Работа порохового генератора давления облицовочного согласно патенту RU 2465447 C1, 27.10.2012 заключается в том, что под действием кумулятивной струи или воспламенительного импульса сначала воспламеняются и горят пороховые элементы, расположенные напротив кумулятивных или воспламенительных устройств. Затем сгорает нитроцеллюлозный клей, воспламеняя другие пороховые элементы заряда. Практика применения данного генератора показала нерациональность идеи облицовочной конструкции порохового генератора в связи с недостатками, присущими этой конструкции, суть которых заключается в следующем:
- под действием кумулятивной струи или воспламенительного импульса происходит не только воспламенение пороховых элементов, расположенных напротив кумулятивных или воспламенительных устройств, но и их разрушение, приводящее к нарушению целостности конструкции генератора с последующим распадом ее на отдельные фрагменты, часть которых догорает отдельно от импульсного устройства, другая часть попадает в среду скважинной жидкости невоспламененной или гаснет;
- пороховой заряд, выполненный в виде трубы, собранный из стержневых элементов баллиститного артиллерийского пороха изначально представляет конструкцию, имеющую недостаточную жесткость, учитывая термопластичность материала трубы этот недостаток усугубляется, так как складское хранение зарядов при положительных температурах приводит к существенным деформациям заряда и создает значительные трудности при его сборке с устройством.
С целью получения максимального эффекта при воздействии на продуктивный пласт, повышения надежности срабатывания и обеспечения универсальности применения предлагается конструкция твердотопливного генератора давления (фиг. 1, 2), представляющая собой заряд, собранный из шашек баллиститного топлива: однотипных шашек 1, устанавливаемых концентрическими рядами вокруг центральной шашки 2, имеющей цилиндрический осевой канал, которые скрепляются между собой по внешним образующим (боковым) поверхностям путем склеивания нитроцеллюлозным клеем 3 на длине 0,065-0,1 длины шашки со стороны обоих торцов, при этом соотношение наружного диаметра центральной твердотопливной шашки 2 и диаметра периферийных шашек 1 равно (2,2-5,5):1. Полученное расчетом соотношение диаметров, обеспечивающее оптимальную поверхность горения, в сочетании с изменением количества периферийных шашек 1 и их длины позволяет в широких пределах регулировать импульс давления, максимальное давление и время работы генератора при назначении режима обработки продуктивного пласта конкретной скважины. Воспламенение генератора производится при помощи электронагревательного элемента 4, вмонтированного в одну из периферийных шашек внешнего ряда в районе склеивания шашек (при применении в корпусных импульсных устройствах может воспламеняться при срабатывании основного заряда). Данная схема расположения нагревательного элемента позволяет воспламенять не отдельную шашку, а блок прочноскрепленных шашек в районе их склеивания, что повышает надежность воспламенения генератора.
Преимуществом предлагаемого твердотопливного генератора давления по сравнению с прототипом является высокая полнота сгорания и универсальность его конструкции. Сборка генератора из однотипных твердотопливных шашек позволяет менять его геометрические размеры (диаметр и длину), вес и поверхность горения, что позволяет применять его в различных конструкциях корпусных и бескорпусных устройств. С другой стороны, конструктивная особенность предлагаемого генератора позволяет изготавливать его с заранее заданными параметрами для обработки конкретной скважины в зависимости от требуемого импульса давления, максимального давления и времени работы генератора, учитывая горно-геологические особенности скважины и ее эксплуатационное состояние.
Расчет давления в каждый момент времени производят по известному уравнению состояния продуктов сгорания
где W - объем, занимаемый продуктами сгорания;
т
ω - вес выгоревшего топлива;
R - газовая постоянная;
Т - температура продуктов сгорания;
χ - тепловые потери;
г/ст
Р - гидростатическое давление в зоне расположения заряда.
Предлагаемая конструкция генератора отличается от прототипа высокими прочностными характеристиками, исключающими появление остаточных деформаций в течение гарантийного срока его хранения.
Испытания генератора давления проведены на скважинах нефтяной компании «Татнефть» сопоставлением их результатов с результатами, полученными при использовании широко применяемого генератора ЗГРП, полученными при обработках на одних и тех же скважинах фиг. 3, 4, 5, 6. При анализе результатов видим, что при меньшей массе топлива предлагаемый генератор создает большее избыточное давление при более высоком градиенте нарастания давления.
Предлагаемый генератор давления может быть использован для термобарохимических обработок продуктивного пласта нефтегазодобывающих скважин с целью интенсификации добычи нефти и газа в составе корпусных импульсных устройств фиг. 1 или автономно, устанавливаемым на штангу 5, проходящую через центральный канал, опускаемым в скважину на геофизическом кабеле фиг. 2.