УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR TREATMENT OF BOTTOM-HOLE ZONE

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для вскрытия продуктивных пластов в нефтяных и газовых скважинах при буровзрывных работах и повышения продуктивности (дебита) нефтяных и газовых скважин.
Известно устройство для обработки призабойной зоны скважины, включающее воздушную камеру с атмосферным давлением и длиной 20-50 м, приемную перфорированную металлическую камеру с размещенной в ней твердой газогенерирующей композицией - ТГК, состоящей из двух частей, где первая часть, обращенная к воздушной камере, выполнена из сгораемой высокопрочной с малогазовым выделением композиции - СВК, вторая часть ТГК выполнена из термогенерирующей композиции, указанная приемная камера снабжена на ее верхнем торце разрушаемой тарированной диафрагмой и соединена муфтой, выполненной с отверстиями, с дополнительной приемной камерой, в которой размещены СВК, воспламенитель и тарированная полимерная диафрагма, соединенной муфтой с дополнительной воздушной камерой, выполненной длиной 1,5-2,5 м, СВК выполнена из смеси состава, мас. %: перхлорат аммония - 35-40, эпоксидный компаунд - смесь смолы ЭД-20, пластификатора ЭДОС и отвердителя АФ-2М - 65-60, а термогенерирующая композиция выполнена из смеси состава, мас. %: нитрат аммония - 35-38, перманганат калия - 1,0-2,8, азотнокислый барий - 14,0-14,5, термит железоалюминиевый - 30,0-31,5, алюминий АСД-1 - 1,0-1,5, эпоксидная смола ЭД-20 - 12,4-13,0, пластификатор ЭДОС - 0,5-0,7, отвердитель АФ-2 - 1,8-2,3 - RU 2330951 С1, E21B 43/25,2008 г.
Недостатки известного устройства следующие: недостаточно высокие параметры сгорания (температура, скорость горения, количество газообразных продуктов) обоих предлагаемых газогенерирующих составов; засорение перфорационных каналов и призабойной зоны скважины как твердыми продуктами сгорания термогенерирующей композиции (оксидами и хлоридами марганца, железа, калия, бария, алюминия), так и осколками разрушаемой тарированной диафрагмы; необходимость трудоемкой стадии опускания и извлечения из скважины металлической перфорированной камеры.
Известен способ заканчивания скважины, включающий установку в обсадную колонну кумулятивного и газогенерирующего заряда из твердого топлива и кислотного реагента с последующим инициированием газогенерирующего заряда кумулятивным зарядом, выполнение перфорационного канала в обсадной колонне и окружающем продуктивном пласте и перемещение в перфорационный канал газа, образующегося при сгорании газогенерирующего заряда и затем кислотного реагента - RU 2138623 C1, E21B 43/117,1999 г.
К недостаткам способа, а также - устройства, реализующего его, следует отнести: невысокую эффективность для достижения проектного дебита скважины, особенно в условиях карбонатного коллектора; засорение скважины осколками герметичного корпуса кумулятивных зарядов и повышенное разрушение и деформацию обсадных труб и окружающей среды за счет бризантного и фугасного действия продуктов взрыва и воздействия металлической кумулятивной струи облицовки зарядов при использовании бескорпусных кумулятивных зарядов (бескорпусных негерметичных кумулятивных перфораторов одноразового действия); засорение перфорационных каналов за счет застревающей в них металлической кумулятивной струи облицовки зарядов при использовании корпусных кумулятивных зарядов (корпусных герметичных кумулятивных перфораторов многоразового действия); частичное разрушение газогенерирующего заряда из твердого топлива при его последующем инициировании за счет продуктов взрыва взрывчатого вещества кумулятивного заряда, невысокую эффективность кислотного реагента.
Наиболее близким аналогом является устройство, реализующее способ заканчивания скважины, включающий установку в обсадную колонну кумулятивного и газогенерирующего заряда из твердого топлива и кислотного реагента с последующим инициированием газогенерирующего заряда кумулятивным зарядом, выполнение перфорационного канала в обсадной колонне и окружающем продуктивном пласте и в перфорационный канал газа, образующегося при сгорании газогенерирующего заряда, и кислотного реагента, при этом твердое топливо и источник кислотного реагента совмещают, организуют одновременное перемещение в перфорационный канал газа, образующегося при сгорании газогенерирующего заряда и кислотного реагента, в качестве твердого топлива и источника кислотного реагента используют смесь перхлората аммония, бифторида аммония и эпоксидного компаунда при следующем соотношении компонентов, мас. %: перхлорат аммония - 30-45, бифторид аммония - 45-65, эпоксидный компаунд - 5-10, или смесь нитрата аммония, бифторида аммония, хлорида аммония и эпоксидного компаунда при следующем соотношении компонентов, мас. %: нитрат аммония - 30-35, бифторид аммония - 45-50, хлорид аммония - 17-20, эпоксидный компаунд - 3-5 - RU 2173767 C1, E21B 43/117, 2001 г.
Недостатки способа-прототипа те же, что и вышеуказанного аналога и, кроме того, он также имеет недостаточно высокие параметры сгорания (температуру, скорость, количество газообразных продуктов) обоих предлагаемых газогенерирующих составов.
Техническая задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности достижения проектного дебита скважины, особенно в условиях карбонатного коллектора, исключение засорения скважины и ее перфорационных каналов осколками герметичного корпуса кумулятивных зарядов, исключение разрушения и деформации обсадных труб за счет отсутствия воздействия металлической кумулятивной струи; повышение эффективности воздействия кислотного реагента.
Эта задача решена в устройстве для обработки призабойной зоны скважины, содержащем корпусный или бескорпусный перфоратор в обсадной колонне с кумулятивным и газогенерирующим зарядом из твердого топлива, совмещенного с кислотным реагентом, облицовкой выемки кумулятивного заряда является фторопласт или иной фтор- и/или хлорсодержащий полимерный материал, инициирование кумулятивного и газогенерирующего зарядов от соответствующего каждому заряду средства инициирования производят одновременно, а в качестве твердого топлива, совмещенного с кислотным реагентом, используют смесь перхлората аммония и эпоксидного компаунда при следующем соотношении компонентов, мас. %:
перхлорат аммония
70-90
эпоксидный компаунд
30-10
В случае применения корпусного перфоратора, для повышения эффективности использования устройства, его заглушки, втулки и пробки выполнены из фторопласта или иного фтор- и/или хлорсодержащего полимерного материала; в случае применения бескорпусного перфоратора, из тех же материалов выполнены герметичные корпуса кумулятивных зарядов.
На фиг. 1, 2 приведены фотографии, иллюстрирующие результаты экспериментальных испытаний: на фиг. 1 - размер перфорационного канала при пробивании стального диска-имитатора медной кумулятивной воронкой, на фиг. 2 - размер перфорационного канала при пробивании стального диска-имитатора фторопластовой кумулятивной воронкой. На фиг. 3 представлена зависимость температуры сгорания - Т, К, смесей типа перхлорат аммония - эпоксидная смола от их состава (мас. %,); на фиг. 4 представлена зависимость идеальной работоспособности (силы пороха) - FP, кДж/кг, смесей типа перхлорат аммония - эпоксидная смола от их состава (мас. %).
При обработке призабойной зоны скважины производят установку в обсадную колонну кумулятивных зарядов, облицовкой выемки которых является фторопласт или иной фтор- и/или хлорсодержащий полимерный материал, образующий при взрыве большое количество фтор- и/или хлорсодержащих только газообразных продуктов. Газогенерирующие заряды из твердого топлива, совмещающего в себе роль генератора давления и кислотного реагента, и кумулятивные заряды одновременно инициируются отдельными средствами инициирования.
Использование отдельных средств инициирования для кумулятивных зарядов и газогенерирующего состава твердого топлива, в отличие от воспламенения газогенерирующего заряда из твердого топлива при его последующем инициировании за счет продуктов взрыва взрывчатого вещества кумулятивного заряда, увеличивает надежность срабатывания устройства, уменьшает количество отказов, за счет разрушения газогенерирующего заряда из твердого топлива продуктами взрыва кумулятивных зарядов, а также увеличивает размер и длину образующихся перфорационных каналов - повышает эффективность достижения проектного дебита скважины, за счет увеличения времени воздействия высокого давления в образованных кумулятивными зарядами перфорационных каналах, с учетом противодавления в призабойной зоне скважины.
При этом выполняются перфорационные каналы в обсадной колонне и окружающем продуктивном пласте за счет перемещения в перфорационные каналы газа, образующегося при сгорании двух источников только газообразных веществ: газогенерирующего заряда твердого топлива, совмещенного с источником кислотного реагента, в качестве которого используют смесь перхлората аммония и эпоксидного компаунда при указанном соотношении компонентов, и фторопласта или иного фтор- и/или хлорсодержащего полимерного материала - облицовки кумулятивной выемки зарядов, образующих при взрыве большое количество фтор- и/или хлорсодержащих только газообразных продуктов.
Могут быть использованы поливинилхлорид, фторопласты типа Ф4, Ф3, Ф2, http://www.kp.ru/guide/chto-takoe-ftoroplast.html и другие виды.
Изобретение реализуется следующим образом.
В обсадной трубе скважины на диапазоне длины перфорируемого продуктивного пласта размещают конструкцию из многоразового или одноразового корпусного перфоратора, имеющего герметичный или негерметичный корпус, в котором размещаются кумулятивные и газогенерирующие заряды, при этом возможно использование конструкции стандартного корпусного перфоратора многократного типа, например ПК-103Д, либо конструкции стандартного бескорпусного перфоратора, например, ленточного типа ПК-С65, либо иных конструкций стандартных кумулятивных перфораторов.
При этом облицовки кумулятивных выемок, заглушки, втулки, пробки (в случае использования корпусных перфораторов), герметичные корпуса кумулятивных зарядов (в случае использования бескорпусных перфораторов) выполняют из материалов, образующих при взрыве большое количество фтор- и/или хлорсодержащих только газообразных продуктов, не образующих твердых осколков или продуктов взрыва, что позволяет уменьшить засорение внутреннего пространства трубы и перфорационных каналов за счет металлических осколков и металла кумулятивной струи. Внутри или снаружи корпуса кумулятивных зарядов (в зависимости от используемой их конструкции и технической необходимости, а также особенностей скважины) размещают один или несколько газогенерирующих зарядов. В качестве твердого топлива и источника кислотного реагента используют смесь перхлората аммония и эпоксидного компаунда при следующем соотношении компонентов, мас. %: перхлорат аммония - 70-90, эпоксидный компаунд -30-10.
Эпоксидный компаунд, как вариант, может состоять из эпоксидной смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина (ПЭПА), в соотношении 10:1. Возможно использование других эпоксидных компаундов.
Производят одновременное инициирование кумулятивных зарядов и средств воспламенения газогенерирующих составов подачей напряжения по кабелю на соответствующие средства инициирования. При срабатывании кумулятивного заряда происходит формирование сильно нагретой и обладающей высоким давлением кумулятивной струи от крайне сильно реакционноспособных фтора, хлора и/или их соединений, содержащихся в облицованной фторопластом или иным фтор- и/или хлорсодержащим полимерным материалом облицовки кумулятивной выемки разрушающих («прожигающих») оболочку, обсадную колонну, цементное кольцо и пространство за цементным кольцом. Образуется перфорационный канал, незагрязненный металлом. В результате одновременного воспламенения газогенерирующего заряда, образовавшиеся газы выбрасываются в канал, сформированный ударом кумулятивной струи. В результате термического, газоэрозионного и компрессионного воздействия продуктов сгорания газогенерирующего заряда происходит интенсивный унос поверхностного уплотненного и загрязненного слоя со стенок канала, его прочистка и расширение с растрескиванием окружающей породы, в том числе - за счет воздействия кислотного агента (соляной и плавиковой кислот - HCl, HF, соответственно).
В канале длительное время (по сравнению со временем воздействия кумулятивной струи) поддерживается высокое давление, что приводит к образованию протяженных трещин в слагающих породах в зоне перфорации. Образующаяся при перфорации поверхность фильтрации состоит из поверхности стенок перфорационного канала и поверхности стенок трещин в окружающей породе. В результате повышается проницаемость поверхности фильтрации, предотвращается закупорка пор и увеличиваются проходные сечения трещин в зоне перфорации.
Для подтверждения работоспособности устройства производились следующие экспериментальные испытания:
- сравнительное исследование кумулятивных зарядов с безоболочечными, (имитировались наличием деревянных, сосновых материалов оболочек облицовок выемок кумулятивных зарядов), медными и фторопластовыми (марки Ф4) материалами на облицовках выемок на мишенях-имитаторах условий в обсадной трубе скважин;
- определение взрывчатых характеристик (теплоты, скорости горения, температуры, состава продуктов сгорания, чувствительности и наличия перехода горения в детонацию) твердого топлива и источника кислотного реагента, в качестве которого использовалась смесь перхлората аммония и эпоксидного компаунда при следующем соотношении компонентов, мас. %: перхлорат аммония - 70-90, эпоксидный компаунд - 30-10.
Эпоксидный компаунд состоял из эпоксидной смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина (ПЭПА), в соотношении 10:1.
Сравнительное исследование кумулятивных зарядов с безоболочечными, медными и фторопластовыми материалами на мишенях-имитаторах условий в обсадной трубе скважин проводилось при следующих условиях:
3
- взрывчатое вещество снаряжения - Пластит ПВВ-7 (на основе смеси флегматизированного гексогена и алюминиевой пудры): плотность ПВВ-7 - около 1,50 г/см, теплота взрыва - 1700 ккал/кг; скорость детонации - около 7000 м/сек;
- геометрические параметры кумулятивных выемок, толщина, параметры снаряжения взрывчатого вещества ПВВ-7 - одинаковы;
3
- корпуса зарядов - фторопласт Ф4, плотность - около 2200 кг/м;
- геометрические размеры конических кумулятивных воронок: высота - 13,0 мм; диаметр - 26,0 мм; толщина - 2,0 мм;
- масса кумулятивных воронок (облицовок), в зависимости от использованного материала: безоболочечные (сосна) - 0,5 г, медь - 15,0 г, фторопласт ФП-4 - 3,0 г;
- свидетель-имитатор обсадной трубы - стальные диски диаметром 150,0 мм, и толщиной 7,0 мм, изготовленные из легированной стали марки Х18Н10Т;
Взрывание зарядов производилось на бетонных блоках-имитаторах карбонатной породы, кумулятивные заряды размещались непосредственно на поверхности свидетелей-стальных дисков, расположенных на поверхности бетонных мишеней, которые предварительно заливались слоем воды-имитатора скважинной жидкости, толщиной 10,0 мм, на высоте около 30,0 мм, соответствующей оптимальной высоте формирования кумулятивной струи при данных геометрических параметрах кумулятивных воронок.
Инициирование производилось стандартными электродетонаторами типа ЭДП с использованием плоско-волновых генераторов (ПВГ), общая масса вещества взрывчатого снаряжения - около 70 г ПВВ-7. Производилась фото- и видеофиксация и протоколирование каждого из серии результатов испытаний.
В результате проведенных экспериментальных сравнительных испытаний получены данные, подтверждающие следующее:
- безоболочечные (сосновые) кумулятивные воронки при прочих равных условиях не обеспечивают пробивания стальных дисков-имитаторов обсадных труб толщиной 7,0 мм, но вызывают значительную деформацию их;
- металлические (медные) кумулятивные воронки при прочих равных условиях обеспечивают пробивание стальных дисков-имитаторов обсадных труб толщиной 7,0 мм и внедрение кумулятивной струи в бетон на глубину около 3-4 диаметров воронки, а также вызывают значительную деформацию их. Диаметр перфорационного канала - около 5-6 мм за счет эффекта сварки взрывом медной облицовки по краям отверстия и застревания кумулятивной струи - фиг. 1;
- фторопластовые (Ф4) кумулятивные воронки при прочих равных условиях обеспечивают как пробивание стальных дисков- имитаторов обсадных труб толщиной 7,0 мм, так и образование перфорационных каналов без какого-либо внедрения материала кумулятивной струи в бетон на глубину около 3-4 диаметров воронки (не хуже металлических), а также полностью не вызывают деформации стали обсадных труб и без образования твердых продуктов взрыва. Диаметр перфорационного канала - около 18-20 мм, превосходит диаметр перфорационного канала медной облицовки - фиг. 2.
Использование в качестве материала облицовки выемки кумулятивных зарядов иного наименования фтор- и/или хлорсодержащего полимерного материала, образующего при взрыве большое количество фтор- и/или хлорсодержащих только газообразных продуктов, например фторопластов типа Ф4, Ф3, Ф2, поливинилхлорида, с учетом общеизвестной высокой химической активности кислотных агентов (соляной - HCl и плавиковой кислот - HF), а также достигаемые при взрыве зарядов бризантных взрывчатых веществ общеизвестные минимальные значения давлений и температур - десятки-сотни тысяч ати и 2000-3000 К, будут приводить к такому же наблюдаемому кумулятивному перфорационному эффекту.
Приведенные результаты экспериментальных испытаний подтверждают работоспособность устройства в части использования в качестве материала облицовки кумулятивной выемки зарядов материалов, образующих при взрыве большое количество фтор- и/или хлорсодержащих только газообразных продуктов.
Определение взрывчатых характеристик (теплоты, скорости горения, температуры, состава продуктов сгорания, чувствительности и наличия перехода горения в детонацию) твердого топлива и источника кислотного реагента, в качестве которого используется смесь перхлората аммония и эпоксидного компаунда при указанном соотношении компонентов, производилась также путем расчетов и экспериментальных испытаний серии зарядов, в которых эпоксидный компаунд состоял из эпоксидной смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина (ПЭПА), в соотношении 10:1.
При сгорании предлагаемой в качестве твердого топлива и источника кислотного реагента смеси перхлората аммония и эпоксидного компаунда при указанном соотношении компонентов, во всем наблюдавшемся экспериментальном диапазоне давлений от 0 до 1300 ати, отмечалось устойчивое, с высокими скоростями сгорание в турбулентном режиме без склонностей к переходу режима горения в детонацию.
Установлены следующие важные фактические данные, свидетельствующие о том, что при сгорании 1 кг предлагаемой в качестве твердого топлива и источника кислотного реагента смеси перхлората аммония и эпоксидного компаунда достигаются параметры сгорания, значительно превышающие состав-прототип а именно:
- температура сгорания данных смесей (в зависимости от состава) составляет от 2400 до 3600 К, что значительно превосходит состав-прототип: на фиг. 3 представлена зависимость температуры сгорания - Т, К смесей типа перхлорат аммония - эпоксидная смола от их состава (мас. %);
- теплота сгорания данных смесей (в зависимости от состава) составляет от около 4500 до 5200 кДж/кг, что также значительно превосходит состав-прототип;
- максимальная идеальная работоспособность (сила пороха) при сгорании данных смесей (в зависимости от состава) составляет до 1134 кДж/кг, что значительно превосходит состав-прототип: на фиг. 4 представлена зависимость идеальной работоспособности (силы пороха) - FP, кДж/кг смесей типа перхлорат аммония - эпоксидная смола от их состава (мас. %);
2
- при сгорании данной смеси образуются практически только газообразные продукты в количестве 760-870 л/кг (в зависимости от содержания эпоксидного компаунда) в виде смеси СН4, HCl, H2O (г), N (в отличие от смесей прототипа с объемом газообразных продуктов около 700 г/кг); кроме этого, при сгорании 1 кг данного твердого топлива из этой смеси образуется около 0,250-0,255 кг кислотного агента (в зависимости от содержания эпоксидного компаунда) - соляной кислоты (вместо около 0,1 кг соляной кислоты в составах прототипа);
- при сгорании предлагаемой в качестве твердого топлива и источника кислотного реагента смеси перхлората аммония и эпоксидного компаунда при указанном соотношении компонентов, во всем наблюдавшемся экспериментальном диапазоне давлений от 0 до 1300 ати, отмечалось устойчивое сгорание с высокими скоростями в турбулентном режиме без склонностей к переходу режима горения в детонацию. Кроме этого при использовании в качестве эквивалентного заряда навесок массой 15-50 г стандартного пластичного взрывчатого вещества на основе гексогена типа Пластит ПВВ-7 (на основе смеси флегматизированного гексогена и алюминиевой пудры), как в контактном случае (без зазора), так и с воздушным промежутком (с зазором), при диаметрах заряда данной смеси от 18 до 26 мм наблюдалось только его диспергирование (разбрасывание), без каких-либо характерных признаков бризантного, кумулятивного и фугасного действия взрыва, что свидетельствует о безопасности и крайней невосприимчивости данного состава к начальному детонирующему импульсу и удару.
Вышеприведенные данные свидетельствуют о работоспособности и преимуществах данного изобретения по сравнению с прототипом.
Технические эффекты от применения устройства следующие:
- больший, чем в прототипе, объем перфорационных каналов и, следовательно, большая площадь поверхности фильтрации при сохранении ее проницаемости, близкой к естественной;
- относительная простота и быстродействие процесса, позволяющие одновременно получить перфорационный канал и произвести мероприятия по повышению продуктивности скважины;
- стабилизация продуктивных параметров зоны перфорации, обеспечение поддержания продуктивности на высоком уровне в течение длительного времени;
- уменьшение количества загрязнения, засорения скважины за счет использования неметаллических, образующих только газообразные продукты элементов конструкции: уплотнений, кумулятивной облицовки, корпусов кумулятивных зарядов;
- исключение разрушения обсадных колонн, окружающего пространства, увеличение количества перфорационных каналов, реализуемое за счет уменьшения массы взрывчатого вещества кумулятивных зарядов, необходимой для получения устойчивого кумулятивного действия.