ЗАРЯД ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к средствам воздействия на призабойную зону эксплуатационных, нефтяных, газовых, разведочных и нагнетательных скважин с целью газодинамического разрыва пласта, в результате которого увеличивается приток нефти в скважину.
Одним из рациональных и эффективных методов воздействия на прискважинную зону продуктивного пласта с целью восстановления проводимости и 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, создаваемыми 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 газогидравлического воздействия на пласт [патент РФ №2178072, МПК Е21В 43/263, опуб. 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 рассчитана 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.
Недостатком данного устройства является низкая надежность функционирования, связанная с тем, что полнотелый конус создает препятствие прохождению пороховых газов и импульсу давления, действующих сверху, энергия которых при этом затрачивается на смещение заряда вниз. В силу растяжимости геофизического кабеля высока вероятность удара заряда о забой, что влечет деформацию несущих штанг. При этом понижается прочность и надежность соединения в узле заделки.
Указанный недостаток устранен в устройстве под названием «Заряд для гидроразрыва пласта» [патент на полезную модель РФ №106305, МПК Е21В 43/263, опубл. 10.07.2011 г], содержащем размещенную вдоль составной несущей штанги бескорпусную группу секций заряда из твердого топлива, пригодного для горения в водной и водонефтяной средах, выполненных с осевым каналом, конфигурация которого имеет форму с развитой поверхностью, в котором установлена с зазором упомянутая штанга, на концах штанги установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы, диаметр которых превышает диаметр секций заряда, между секциями заряда размещены центрирующие кольца, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций, при этом конусы выполнены с отверстиями для прохода продуктов сгорания. Одна из секций заряда - воспламенительная, соединенная с проводом питания с возможностью воспламенения топлива группы секций заряда. Узел воспламенения выполнен в виде подключенной к проводу питания нихромовой спирали, размещенной на торце секции заряда и закрепленной вокруг его осевого канала фигурной формы с возможностью воспламенения топлива заряда по поверхности осевого канала. Данное устройство как наиболее близкое к заявляемому взято за прототип.
Недостатком прототипа является низкая надежность функционирования, обусловленная тем, что узел воспламенения заряда, выполненный на основе нихромовой спирали накаливания, воспламеняет секции заряда в течение нескольких секунд и время воспламенения не контролируется, что не позволяет эффективно использовать данные заряды, в том числе и для системы синхронного воздействия на пласт несколькими зарядами при добыче месторождений нефти.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности функционирования за счет повышения надежности воспламенения заряда и сокращения времени воспламенения.
Технический результат достигается тем, что заряд для гидроразрыва пласта, содержащий размещенную вдоль составной несущей штанги бескорпусную группу секций заряда из твердого топлива, пригодного для горения в водной и водонефтяной средах, выполненных с осевым каналом, конфигурация которого имеет форму с развитой поверхностью, в котором установлена с зазором упомянутая штанга, на концах штанги установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы, диаметр которых превышает диаметр секций заряда, между секциями заряда размещены центрирующие кольца, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций, при этом конусы выполнены с отверстиями для прохода продуктов сгорания, причем одна из секций заряда - воспламенительная, соединенная с проводом питания с возможностью воспламенения топлива секций заряда, согласно полезной модели воспламенительная секция заряда установлена между верхним конусом и группой секций заряда и снабжена со стороны, обращенной к верхнего конусу, накладкой, при этом в накладке выполнены продольные сквозные ступенчатые отверстия, в широкой части которых установлены взрывные патроны с примыкающими к их торцам отрезками детонирующих шнуров, проходящими сквозь узкую часть указанных ступенчатых отверстий и глухих отверстий, выполненных в воспламенительной секции заряда, также в накладке выполнена проточка, в которой размещена плоская пружина, частично охватывающая штангу с возможностью взаимодействия с корпусами взрывных патронов.
Установка между верхним конусом и остальной группой секций заряда воспламенительной секции заряда, которая снабжен со стороны, обращенной к верхнего конусу, накладкой, где выполнены продольные сквозные ступенчатые отверстия, в широкой части которых установлены взрывные патроны с примыкающими к их торцам отрезками детонирующих шнуров, проходящими одними концами сквозь узкую часть указанных ступенчатых отверстий, а другими концами помещенные в выполненные в воспламенительной секции заряда глухие отверстия, позволяет создать стабильный и надежный узел воспламенения заряда и достичь сокращения времени воспламенения (в пределах 100 мкс), повышая надежность функционирования устройства при добыче нефтяных месторождений.
Размещение в проточке накладки плоской металлической пружины, частично охватывающей штангу с возможностью взаимодействия с корпусами взрывных патронов обеспечивает надежный контакт электрической подрывной линии, проходящей вдоль штанги, с взрывными патронами.
Кроме того для достижения симметрии воспламенения секции заряда, а также для полноты и скорости горения отверстия под патроны в накладке ориентированы друг относительно друга под углом 150°±10°.
Кроме того для обеспечения надежной фиксации взрывных патронов в отверстиях накладки и предотвращения их осевого смещения накладка со стороны верхнего конуса плотно закрыта крышкой.
Таким образом совокупность всех изложенных выше признаков создает условия повышение надежности функционирования устройства за счет повышения надежности воспламенения зарядов и сокращения времени воспламенения.
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 - многолучевая форма с развитой поверхностью горения группы секции заряда (разрез А-А на фиг. 1);
на фиг. 3 - накладка воспламенительной секции заряда;
на фиг. 4 - размещение в накладке взрывных патронов (разрез Б-Б на фиг. 1).
На чертежах фиг. 1-4 принимаются следующие обозначения.
1 - составная несущая штанга;
2 - секции заряда из твердого топлива;
3 - осевой канал в заряде;
4 - центрирующие кольца;
5 - верхний конус-центратор;
6 - нижний конус-центратор;
7 - отверстия в конусах;
8 - воспламенительная секция заряда;
9 - провод питания;
10 - накладка;
11 - сквозные отверстия в накладке;
12 - взрывной патрон;
13 - детонирующий шнур;
14 - глухие отверстия в воспламенительной секции заряда;
15 - проточка;
16 - плоская металлическая пружина;
17 - крышка накладки;
18 - отверстия в крышке.
Устройство выполнено следующим образом.
Заряд для гидроразрыва пласта (фиг. 1) содержит размещенную вдоль составной несущей штанги 1 бескорпусную группу секций 2 заряда из твердого топлива, пригодного для горения в водной и водонефтяной средах. Составная штанга обеспечивает целостность конструкции при механических и температурных нагрузках в процессе горения заряда и при спуске устройства в скважину и извлечении. Выполнение несущей штанги составной, т.е. состоящей из нескольких частей, позволяет, изменяя ее длину, собирать заряд из разного количества пороховых секций заряда, при этом, так же позволяет упростить транспортирование заряда к месту эксплуатации в разобранном виде. Длина несущей штанги 1 варьируется в зависимости от количества одновременно устанавливаемых пороховых секций заряда. Секции 2 заряда выполнены с осевым каналом 3, конфигурация которого имеет форму с развитой поверхностью. В канале 3 установлена с зазором упомянутая штанга 1. Конфигурация фигурного осевого канала 3 имеет многолучевую форму с развитой поверхностью горения (фиг. 2), выполненной таким образом, чтобы при сборе соседних пороховых секций заряда эти каналы образовывали единый центральный канал. Между секциями 2 заряда размещены центрирующие кольца 4, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций 2, не позволяющие смещаться секциям заряда 2 относительно друг друга и в случае изгиба штанги 1 в наклонной скважине касаться стенок обсадной колонны. На концах штанги 1 установлены стягивающие группу секций заряда верхний 5 и нижний 6 конусы, диаметр которых превышает диаметр секций 2 заряда, что позволяет предохранять заряды от трения и ударов о стенки скважины. Для обеспечения минимальной механической нагрузки на штангу 1 и обеспечения максимального воздействия горячего газа на пласт конусы 5, 6 выполнены с отверстиями 7 для прохода продуктов сгорания. Одна из секций 2 заряда - воспламенительная 8 соединена с проводом питания 9 с возможностью воспламенения топлива остальных секций 2 заряда. Воспламенительная секция 8 заряда установлена между верхним конусом 5 и группой секций 2 заряда и имеет со стороны верхнего конуса накладку 10.
В накладке 10 выполнены вдоль штанги 1 сквозные ступенчатые отверстия 11, в широкой части которых установлены два взрывных патрона 12 типа ПГН-150, ориентированные под углом 155° относительно друг друга для достижения симметрии воспламенения секции заряда, а также для полноты и скорости горения. К торцу каждого патрона 12 примыкают отрезки детонирующего шнура 13, проходящие сквозь узкую часть указанных ступенчатых отверстий 11 и глухих отверстий 14, выполненных в воспламенительной секции 8 заряда. Также в накладке 10 выполнена проточка 15, в которой размещена плоская металлическая пружина 16. Пружина, частично охватывающая своей средней частью штангу 1, установлена с возможностью взаимодействия с корпусами взрывных патронов 12, что обеспечивает надежный контакт электрической подрывной линии, проходящей вдоль штанги, с взрывными патронами.
Сборка устройства осуществляется следующим образом.
Собирают составные части штанги 1, длина которой зависит от количества секций 2 заряда. Затем присоединяют нижний конус-центратор 6. Между секциями 2 устанавливают центрирующие кольца 4, обеспечивающие термокомпенсацию зарядов при расширении с нагревом и предохраняющие торцы зарядов от разрушения при транспортировке зарядов в скважине. Затем устанавливают воспламенительную секцию 8, внутрь отверстий 14 которой устанавливают отрезки детонирующих шнуров 13 с обеспечением выступа их концов на 10-15 мм. Затем сверху устанавливают накладку 10 с предварительно уложенной в проточку 15 пружиной 16 таким образом, чтобы концы детонирующих шнуров 13 попали в узкую часть отверстия 11 накладки 10, а торец воспламенительной секции 8 заряда плотно вошел в выполненную в торце накладки 10 радиальную проточку. Далее в широкую часть отверстия 11 накладки 10 устанавливают два взрывных патрона 12, к центральному контакту которых присоединяют провода 9 электрической цепи. При этом пружина 16, частично охватывающая штангу 1, контактирует с корпусами взрывных патронов 12. Затем для обеспечения надежной фиксации взрывных патронов 12 в отверстиях накладки 10 и предотвращения их осевого смещения на накладку 10 плотно устанавливают крышку 17, в отверстия 18 которой продевают электрические провода от взрывных патронов 12. Сверху на накладку 10 устанавливают верхний конус 5, сборку стягивают.
Устройство работает следующим образом.
Устройство опускают в интервал перфорации скважины. По команде оператора производят поджиг воспламенительной секции 8 подачей высоковольтного импульса напряжения по проводу питания 9 на взрывные патроны 12. Происходит инициирование и метание торцевой стенки каждого патрона 12 на торец отрезка детонирующего шнура 13, что приводит к его инициированию. Процесс детонации отрезков детонирующего шнура 13 сопровождается выходом ударной волны с боковой поверхности шнура на поверхность каналов заряда воспламенителя 8 и разогревом этой поверхности продуктами взрыва. В результате разогрева и растрескивания стенок заряда воспламенителя 8 происходит его возгорание одновременно по двум каналам, которое распространяется вдоль заряда воспламенителя 8. Горение выходит симметрично на торец заряда 8. Далее происходит воспламенение секции 2 заряда. Надежность функционирования устройства достигается надежным воспламенением пороховых зарядов 2, удовлетворяя требованиям синхронного динамического воздействия на пласт при добыче месторождений нефти с целью интенсификации притока нефти в скважину.
Использование данного устройства опробовано на скважинах. В результате было подтверждено повышение функционирования устройства, выполненного в соответствии с заявляемой полезной моделью.
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 средствам для подготовки добычи месторождений нефти, использующим энергию горения твердых взрывчатых материалов (топлив) для разрыва нефтегазоносных пластов импульсами давления от пороховых газов;
средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно повысить надежность функционирования устройства;
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.