УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, к устройствам для разрыва и термогазодинамической обработки нефтегазоносных пластов пороховыми газами для улучшения гидродинамической связи скважины с пластом, а именно относится к устройствам, использующим энергию горения твердых взрывчатых материалов (топлив).
Одним из рациональных и эффективных методов воздействия на прискважинную зону продуктивного пласта с целью установления надежной гидродинамической связи скважины с пластом является разрыв пласта продуктами горения порохового заряда. Под воздействием давления жидкости и газа, равного или превышающего горное, горные породы необратимо деформируются.
Известен ряд конструкций для термогазодинамической обработки призабойной зоны продуктивного пласта. Общим для них является наличие твердотопливных шашек (одной или нескольких), опускаемых в скважину с помощью геофизического кабеля. Эти шашки устанавливаются в интервале обработки пласта, поджигаются с помощью электрического импульса, подаваемого с устья скважины по геофизическому кабелю. Положительный эффект достигается за счет комплексного воздействия на продуктивный пласт - высокого давления и высокой температуры, создаваемых горящими зарядами. Высокое давление приводит к разрыву пласта в виде его трещиноватости, а высокая температура продуктов сгорания способствует удалению парафинов и асфальтенов, загрязняющих пласт, за счет их плавления. Совокупность данных факторов обеспечивает повышение проницаемости пласта.
Известен заряд бескорпусный секционный для воздействия на пласт [патент РФ №2178072, МПК Е21В 43/263, опубл. 10.01.2002 г.], включающий узел воспламенения, пороховые секции небронированного заряда с осевым каналом, конфигурация которого имеет форму с развитой поверхностью, изготовленные из составов, обеспечивающих горение в водной, водонефтяной и кислотной средах, размещенную вдоль составной несущей штанги, на концах которой установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы-центраторы (муфты), диаметр которых превышает диаметр секций заряда, одна или несколько пороховых секций - воспламенительные, от которых возгораются основные пороховые секции.
На торце воспламенительной пороховой секции в канавке размещен узел воспламенения, соединенный с проводом питания. Между нижней муфтой и пороховыми секциями заряда находится рассеиватель для отвода газового потока. Сумма проходных сечений отверстий рассеивателя и их расположение рассчитаны таким образом, чтобы обеспечивать минимальную механическую нагрузку на штангу и обеспечить максимальное воздействие горячего газа на пласт. Между верхней муфтой и пороховыми секциями заряда находится компенсатор линейного расширения пороховых секций заряда, который также выполняет функцию упругого поджатия заряда. Верхний конец верхней соединительной штанги присоединен к каротажному кабелю, а нижний конец нижней соединительной штанги - к электронному блоку измерения характеристик режима работы заряда и реакции призабойной зоны на газодинамическое воздействие. Полые каналы штанги и муфт образуют внутреннюю полость заряда, внутри которой пропущен проводник с термостойкой изоляцией, соединяющий электронный блок с каротажным кабелем и провод питания узла воспламенения.
Известное устройство обеспечивает создание бескорпусного заряда, позволяющего осуществить разрыв пласта без нарушения целостности обсадной колонны, осуществить контроль за работой заряда в режиме реального времени.
Однако к недостаткам, снижающим эффективность применения данного устройства, следует отнести возможность отрыва рассеивателя (как отдельной детали конструкции) и прорыв продуктов сгорания в скважину, минуя штатные отверстия рассеивателя, что снижает механическое воздействие на пласт и создает разрушающее воздействие на окружающие поверхности насосно-компрессорной трубы (НКТ) или на стенки скважины.
Указанный недостаток устранен в устройстве под названием «Заряд для воздействия на пласт» [патент на полезную модель РФ №106305, МПК Е21В 43/263, опубл. 10.07.2011 г.], содержащем бескорпусную группу секций небронированного заряда с осевым каналом, конфигурация которого имеет форму с развитой поверхностью, из твердого топлива, обеспечивающего горение в водной, водонефтяной и кислотной средах, размещенную вдоль составной несущей штанги, на концах которой установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы-центраторы, диаметр которых превышает диаметр секций заряда, между секциями заряда размещены центрирующие кольца, превышающие по диаметру диаметр секций заряда, одна из секций - воспламенительная с узлом воспламенения в виде нагревательной спирали, соединенной с геофизическим кабелем проводом питания, пропущенным по осевому каналу зарядов, при этом конусы выполнены с периферийными отверстиями для прохода продуктов сгорания. Данное устройство как наиболее близкое к заявляемому взято за прототип.
Однако продолжительность эффективного импульса давления и, следовательно, протяженность создаваемых трещин при применении данной конструкции остаются недостаточными. Применение секций заряда, не покрытых защитным слоем (небронированные пороховые шашки), позволяет заряду возгораться со всех сторон - с торцевой, наружной и внутренней, что сокращает время его сгорания. Но воздействие на пласт - кратковременное, оно создает высокоскоростные короткоимпульсные силовые нагрузки, приводящие к образованию множества трещин небольшой , и не обеспечивает образование протяженных и разветвленных трещин необходимой длины. А количество, протяженность и степень разветвления трещин определяют увеличение продуктивности добывающих скважин или степень приемистости нагнетательных скважин, особенно при низкопроницаемых пластах, для которых свойственны большие зоны (радиусы) кольматации.
Задачей предлагаемой полезной модели является интенсификация работы скважин при освоении трудноизвлекаемых запасов.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства, обеспечивающего образование в прискважинной и удаленной зонах пласта многочисленных протяженных и разветвленных трещин.
Технический результат достигается тем, что устройство для термогазодинамического воздействия на пласт, содержащее бескорпусную группу секций небронированного заряда с осевым каналом, конфигурация которого имеет форму с развитой поверхностью, из твердого топлива, обеспечивающего горение в водной, водонефтяной и кислотной средах, размещенную вдоль составной несущей штанги, на концах которой установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы-центраторы, диаметр которых превышает диаметр секций заряда, между секциями заряда размещены центрирующие кольца, превышающие по диаметру диаметр секций заряда, одна из секций - воспламенительная с узлом воспламенения в виде нагревательной спирали, соединенной с геофизическим кабелем проводом питания, пропущенным по осевому каналу зарядов, при этом конусы выполнены с периферийными отверстиями для прохода продуктов сгорания, согласно полезной модели в него введена группа секций бронированного по внешней поверхности заряда, соотношение количества секций которой относительно группы секций небронированного заряда составляет 1:3, при этом воспламенительная секция размещена в середине группы секций небронированного заряда, а спираль вмонтирована в кольцевую канавку на наружной поверхности воспламенительной секции заряда.
Сущность полезной модели заключается в увеличении длительности эффективно действующего избыточного давления газов заряда. Давление газов осуществляется в два этапа с разной динамикой и объемами газовыделения. Под действием первого импульса давления, определяемого заданной скоростью газовыделения небронированными зарядами, создают напряженное состояние в пласте с образованием многочисленных микротрещин. Введение в устройство группы секций бронированного заряда, горение которых осуществляется с торца, позволяет поддерживать давление в замкнутом объеме скважина - пласт на уровне, превышающем давление разрыва пласта в течение длительного времени, обеспечивая формирование трещин в пласте на большую глубину, по сравнению с небронированными зарядами. При этом обеспечивается создание вторичного фронта давления в течение времени, превышающего действие первого импульса (от секций небронированного заряда). Таким образом, последующее воздействие на тот же пласт фронтом давления с качественно иной динамикой воздействия (от секций бронированного заряда) приводит к значительному усилению процессов трещинообразования с увеличением протяженности трещин и увеличением степени их разветвленное™. Эффективность воздействия на пласт достигается увеличением времени воздействия на процесс формирования трещин в пласте и соответственно увеличению их протяженности, глубины проникания в зону пласта с естественной проницаемостью. Такие явления подтверждены опытным путем. При этом установлено, что наиболее эффективное воздействие имеет место, если соотношение количества небронированных зарядов к бронированным составляет 3:1.
Установка воспламенительной секции в середине группы секций небронированного заряда позволяет вдвое сократить ширину фронта импульса давления и увеличить эффективность достижения давления в скважине, превышающего вдвое пластовое.
А установка спирали в кольцевую канавку на наружной поверхности воспламенительной секции заряда приводит к тому, что горение происходит по всей поверхности воспламенительной секции заряда - наружной и внутренней (внутренней поверхности осевого канала), ускоряя процесс воспламенения и повышая надежность срабатывания устройства. В отличие от прототипа, где размещение воспламенителя на торце секции заряда может привести к обрыву цепи, перегоранию спирали, отсутствию воспламенения заряда.
При этом для обеспечения безотказной работы устройства при горении заряда в скважине, заполненной жидкостью, спираль залита термостойким герметиком.
Для уменьшения теплового влияния горячих газов к обоим концам составной несущей штанги присоединены удлинительные штанги, верхний конец верхней удлинительной штанги присоединен к геофизическому кабелю, а нижний конец нижней удлинительной штанги - к электронному блоку измерения характеристик режима работы заряда и реакции призабойной зоны на газодинамическое воздействие. Причем верхняя удлинительная штанга выполнена составной.
В результате создано устройство, эффективно воздействующее на пласт с целью его интенсификации.
Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующим условию «новизна».
Полезная модель поясняется чертежами:
на фиг. 1 представлен общий вид устройства;
на фиг. 2 вид А на фиг. 1;
на фиг. 3 представлены экспериментальные данные при различной комплектации секций заряда в устройстве, где δ - отношение количества секций небронированного заряда к бронированным; Р, атм - давление пиковое; ΔT, с - время действия импульса давления, превышающего давление разрыва пласта в скважине.
Устройство выполнено следующим образом.
Предлагаемая конструкция (фиг. 1) в виде группы секций небронированного 1 заряда и бронированного 2 заряда бескорпусного типа, в комбинации небронированных к бронированным как 3:1 обеспечивает газогенерацию в количестве и скорости, необходимой для термогазогидродинамического разрыва нефтегазового пласта. Устройство включает металлическую оснастку в виде составной несущей штанги 3, пропущенной через осевой канал каждой группы секций заряда 1, 2, конфигурация которого имеет форму с развитой поверхностью, изготовленных из твердого ракетного топлива, обеспечивающего горение в водной, водонефтяной и кислотной средах. Секции заряда 1,2 размещены вдоль штанги 3, на концах которой установлены стягивающие указанные группы верхний 4 и нижний 5 конусы-центраторы, диаметр которых превышает диаметр секций заряда, что позволяет предохранять заряды от трения и ударов о стенки скважины. Между секциями заряда 1, 2 размещены центрирующие кольца 6, превышающие по диаметру диаметр указанных секций, не позволяющие смещаться секциям заряда 1, 2 относительно друг друга, и в случае изгиба штанги 3 в наклонной скважине касаться стенок обсадной колонны. При этом кольца 6 изготовлены таким образом, чтобы не менялась динамика горения заряда. Группа секций бронированного заряда 2 размещена в нижней части сборки между нижним 5 конусом-центратором и группой секций небронированного заряда 1. В середине группы секций небронированного заряда 1 одна из секций - воспламенительная 7 с узлом воспламенения в виде нагревательной спирали 8, соединенной с геофизическим кабелем 9 проводом питания (не показано), пропущенным по осевому каналу группы секций заряда 1. Спираль 8 (фиг. 2) вмонтирована в кольцевую канавку 10 на наружной поверхности секции заряда 7 и залита термостойким герметиком, предохраняя спираль от нарушения целостности при механических нагрузках при спуске-подъеме в скважине в водной, водонефтяной и кислотной средах. Спираль 8 может изготавливаться, например, из нихрома Х20Н80 или Х15Н60. Длина провода и количество витков спирали выбирают из условия обеспечения требуемого разогрев и воспламенения топлива воспламенительной секции 7 за заданное время при заданном гарантийном токе. Нихром спирали является жаростойким сплавом, имеет малый температурный коэффициент электросопротивления, высокое электрическое сопротивление и высокое сопротивление коррозии под воздействием воздуха или иных газообразных сред при высокой температуре. Также нихром спирали обладает удовлетворительной технологичностью (пластичностью в холодном состоянии, спаиваемостью и свариваемостью; достаточной жаропрочностью - способностью выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций, не разрушаясь при высоких температурах), что обеспечивает эффективность использования нихромовой спирали для целей воспламенения. Для обеспечения минимальной механической нагрузки на штангу 3 и обеспечения максимального воздействия горячего газа на пласт конусы 4,5 выполнены с периферийными отверстиями в виде боковых окон 11 для прохода продуктов сгорания. В частности, для упрощения технологии изготовления конусы 4, 5 могут быть выполнены составными с местом стыка частей соединением типа выступ-впадина 12 (для сборки их в конструкции в одно целое). При этом содержащие периферийные отверстия 11 части 13, 14 соответствующих конусов 4, 5 со стороны секций заряда 1, 2 выполняют роль рассеивателей (рассекателей) для отвода газового потока, образующегося при горении. Сумма проходных сечений отверстий 11 рассчитана таким образом, чтобы обеспечить минимальную нагрузку на штангу 3 и обеспечить максимальное воздействие на пласт.
Для уменьшения теплового влияния горячих газов к обоим концам составной несущей штанги 1 присоединены удлинительные штанги 15, 16. Верхний конец верхней удлинительной штанги 15 присоединен к геофизическому кабелю 9, а нижний конец нижней удлинительной штанги 16 - к электронному блоку 17 измерения характеристик режима работы заряда и реакции призабойной зоны на газодинамическое воздействие. Верхняя удлинительная штанга 15, как правило, выполнена составной. Такая сборка штанг обеспечивает целостность конструкции при механических и температурных нагрузках в процессе горения заряда и при спуске устройства в скважину и извлечении.
Сборка устройства осуществляется следующим образом.
Собирают составные части штанги 3, длина которой зависит от количества секций заряда 1, 2. Затем присоединяют нижний конус-центратор 5 с рассеивателем 14. На собранную таким образом конструкцию  штанги 3 нанизывают группу секций бронированного заряда 2, устанавливая между секциями центрирующие кольца 6, обеспечивающие термокомпенсацию зарядов при расширении с нагревом и предохраняющие торцы зарядов от разрушения при транспортировке зарядов в скважине. Затем устанавливают половину группы секций небронированного заряда 1 с центрирующими кольцами 6, где в воспламенительной секции 7 в кольцевой канавке установлена изолированная от внешней среды герметиком нихромовая спираль накаливания 8. Затем устанавливают вторую половину группы секций небронированного заряда 1 с протягиванием провода питания (не показано) от спирали 8 вдоль осевых каналов зарядов 1 с выводом через верхний конус-центратор 4 с рассеивателем 13 к проводам геофизического кабеля 9. Сверху собранного устройства устанавливают составную удлинительную штангу 15, а снизу - удлинительную штангу 16 для установки электронного блока 17 (автономного цифрового манометра типа АЦМ-8) измерения характеристик режима работы заряда и реакции призабойной зоны на газодинамическое воздействие.
Устройство работает следующим образом.
Устройство опускают в интервал перфорации скважины. Исходное замкнутое состояние цепей спирали 8 проверяют с помощью блока 17 слабыми токами. По команде оператора с наземного пульта производят поджиг воспламенительной секции 7 подачей электрического тока по геофизическому кабелю 9 и проводу питания (не показано) на спираль 8. При температуре разогрева спирали 8, превышающей температуру воспламенения топлива, возгорается секция 7 и от нее остальные секции 1 небронированного заряда, от которых возгораются бронированные 2 секции заряда. При повышении давления в скважине происходит газодинамический разрыв пласта с образованием трещиноватости в призабойной зоне пласта, переток скважинной жидкости и горячих газов в образовавшиеся трещины и последующий их рост. Конфигурация фигурного осевого канала секций 1 имеет многолучевую форму с развитой поверхностью горения, выполненной таким образом, чтобы обеспечивалось заданное время горения и давление, необходимое для газогидродинамического разрыва пласта.
Горение небронированных секций 1 происходит по наружной торцевой и внутренней поверхностям заряда одновременно, позволяя в короткий промежуток времени развивать достаточно высокие давления и производить многотрещинный разрыв. Горение сопровождается резким повышением давления и температуры. Продукты сгорания вместе со скважинной жидкостью под действием давления, равного горному или превышающего его, с высокой скоростью залавливаются через естественные трещины в пласт и воздействуют на пласт, выполняя роль клина, раздвигающего горную породу. Механическое воздействие пороховых газов на пласт (трещинообразование) обеспечивается за счет создаваемого в скважине давления, темпа его роста и времени действия избыточного давления. Установка воспламенительной секции 7 в середине группы секций заряда 1 позволяет вдвое сократить ширину фронта импульса давления и увеличить эффективность достижения давления в скважине, превышающего вдвое пластовое.
Горение группы секций бронированного заряда 2 происходит по торцевой поверхности послойно, увеличивая время воздействия на пласт, что позволяет поддерживать давление в замкнутом объеме скважина - пласт на уровне, превышающем давление разрыва пласта в течение длительного времени. В результате чего воздействие от бронированных зарядов 2 на тот же пласт фронтом давления с качественно иной динамикой воздействия приводит к значительному усилению процессов трещинообразования с увеличением протяженности трещин и увеличением степени их разветвленности. В результате обеспечивается эффективное воздействие на пласт с целью его интенсификации. Эффективность воздействия на пласт достигается увеличением времени воздействия на процесс формирования трещин в пласте и соответственно увеличению их протяженности, глубины проникания в зону пласта с естественной проницаемостью.
Использование измерительного блока 17 позволяет осуществить контроль за работой устройства, временем горения заряда, оценить его воздействие на пласт. Так как измерительный блок 17 помещен ниже обрабатываемого пласта, то на него оказывают меньшее влияние восходящие тазовые потоки. Нет перехлеста кабеля. Так как измерительный блок 17 прикреплен к металлической штанге 16, позволяющей сохранять целостность при воздействии механических и тепловых нагрузок, то снижается вероятность его обрыва. Так как провода от каротажного кабеля 9 к блоку измерения 17 и к узлу воспламенения 8 проходят по внутренней полости зарядов 1, 2, то они защищены от механических и температурных воздействий. После проведения работы измерительный блок, оснастку поднимают из скважины и после их проверки используют на другой скважине.
Использование данного устройства опробовано на скважинах. В результате работы скважины увеличили дополнительную добычу нефти. Результаты испытаний (фиг. 3) устройства с различной комбинаций количества бронированных и небронированных зарядов показали, что соотношение количества секций небронированного заряда к бронированным (δ=3) создало оптимальные условия для роста максимального давления (Р=408 атм) и удержания давления на уровне разрыва пласта максимальное время (ΔТ=2,5 с) и, соответственно, возможности образования более протяженных трещин, и осуществления термогазодинамического воздействия с разрывом пласта и образованием трещины большей длины, чем существующие устройства с однотипными зарядами.
Таким образом, создано устройство, эффективно воздействующее на пласт с целью его интенсификации. При этом достигается повышение вероятности безотказной работы воспламенителя и устройства в целом. Эффективность воздействия на пласт достигается увеличением времени воздействия на процесс формирования трещины в пласте и соответственно увеличению ее протяженности, глубины проникания в зону пласта с естественной проницаемостью.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разрыва и термогазодинамической обработки нефтегазоносных пластов пороховыми газами для улучшения гидродинамической связи скважины с пластом;
- средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить интенсификацию работы скважины при освоении трудноизвлекаемых запасов;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.