Заряд газогенератора скважинного
BOREHOLE GAS GENERATOR CHARGE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к твердотопливным зарядам в составе газогенератора скважинного, предназначенным для термобарохимической обработки продуктивного пласта с целью интенсификации нефтегазодобычи.
Задачей изобретения являются разработка конструкции заряда, обеспечивающей максимальный эффект при воздействии на продуктивный пласт скважин при наименьшей массе топлива, использование его энергии для создания максимального импульса давления путем исключения догорающих фрагментов заряда на конечной стадии его горения, получение оптимальных значений основных параметров твердотопливного заряда для динамического воздействия на продуктивный пласт залежи углеводородов через перфорационные отверстия в обсаженных скважинах и в открытом стволе.
Известен большой ряд твердотопливных зарядов, предназначенных для применения в различных устройствах, используемых для термобарохимического воздействия на продуктивный пласт, например:
RU 2278253 С2, приоритет 29.07.2004
RU 2260115 С1, приоритет 29.03.2004
RU 2311530 С1, опубл. 27.11.2007
RU 2413069 С2, опубл. 27.02.2011
RU 2465447 С1, опубл. 27.10.2012
RU 2460877 С1, опубл. 10.09.2012
RU 2471973 С2, опубл. 10.01.2013
RU 2471974 С2, опубл. 10.01.2013
RU 2502867 С2, опубл. 27.12.2013
RU 2597302 С1, приоритет 05.08.2015
RU 2643838 С1, приоритет 03.05.2017
Наиболее близким к предлагаемому решению по назначению, конструкторскому исполнению и функционированию является заряд бескорпусный, секционный для газогидравлического воздействия на пласт, представленный в патенте RU 2278253 С2 с приоритетом 29.07.2004, взятый авторами за прототип.
На фиг. 1 представлено сечение секции 1 заряда-прототипа с пропущенной через центральный канал секции составной штанги 2. Заряд состоит из набора однотипных секций, изготовленных из твердотопливного состава (например, баллиститного) обеспечивающего его горение в водной, водно-нефтяной и кислотной средах. Секции заряда имеют центральный канал с развитой поверхностью горения для обеспечения заданного времени горения и давления необходимого для разрыва пласта. Оснастка для доставки заряда в зону обработки пласта включает детали для сборки заряда и детали, обеспечивающие стягивание секций друг к другу. Для сборки секций используют стальную составную штангу, пропускаемую через центральный канал каждой секции. Между секциями заряда установлены центрирующие кольца по диаметру превышающие диаметр секций, не позволяющие смещаться секциям относительно друг друга, исключающие контакт секций с обсадной колонной при спуске заряда. Заряд опускают в интервал перфорации обсадной колонны, с наземного пульта производят воспламенение заряда подачей электрического импульса по геофизическому кабелю на спираль узла воспламенения, находящегося на торце секции заряда. Горение происходит по всей поверхности заряда. При достижении избыточного давления, превышающего горное в 1,5-1,8 раза в зоне обработки, происходит разрыв пласта с образованием трещиноватости и переток скважинной жидкости и продуктов горения в образовавшиеся трещины, усиливающий положительный эффект.
Недостатками конструкции заряда, взятого за прототип, являются:
- наличие догорающих остатков топлива 3, образующихся на конечной стадии горения заряда при встрече фронтов горения наружной и внутренней поверхностей, не участвующих в формировании максимального импульса давления, т.е. часть массы заряда не используется эффективно (фиг. 1);
- воспламенитель расположен не в зоне развитой поверхности, что снижает надежность воспламенения и увеличивает время задержки воспламенения;
- отсутствие фиксации положения щелей секций относительно друг друга при сборке заряда также ухудшает условия воспламенения, т.к. при наличии штанги в канале движение потока продуктов сгорания происходит по щелевой части канала с последующим воспламенением торцевой и боковой поверхностей. При хаотичном положении щелей соседних секций относительно друг друга условия воспламенения осложняются.
Сравнительный анализ трубчато-щелевых конструкций зарядов, применяемых в различных импульсных устройствах показал, что при семищелевом канале обеспечивается оптимальное соотношение массы заряда и его поверхности горения для создания импульса давления, необходимого для разрыва пласта при наименьшей массе топлива для заданной скорости горения. При этом должно быть обеспечено требование безостаточного сгорания заряда.
С целью получения максимального эффекта при воздействии на нефтегазоносный пласт предлагается конструкция твердотопливного заряда (фиг. 2), представляющая собой набор однотипных секций 4 из баллиститного топлива со семищелевым центральным каналом, на боковой поверхности которых выполнены семь продольных канавок равно удаленных друг от друга по окружности, смещенных относительно щелей на 25°43'. Канавки увеличивают боковую поверхность горения и, изменяя эпюру горения боковой поверхности, обеспечивают безостаточность сгорания заряда.
Геометрические размеры канавок определяются графическим построением эпюры горения в зависимости от наружного диаметра и размеров щелей.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены эпюры горения секции заряда-прототипа и секции предлагаемого заряда соответственно. Наглядно показано преимущество предлагаемого заряда в части его безостаточного сгорания, а именно, площадь сечения догорающих остатков топлива 3 (фиг. 1) секции заряда-прототипа значительно превышает площадь сечения догорающих остатков топлива 5 (фиг. 2) секции предлагаемого заряда.
Инициирование заряда производится при помощи воспламенителя 9 установленного в вершине щели одной или нескольких секций заряда 4 (фиг. 4), т.е. в зоне, имеющей наиболее развитую поверхность горения. При воспламенении канала секции 4 поток продуктов сгорания должен беспрепятственно продвигаться по каналу заряда, воспламеняя торцевые поверхности секций и их боковую поверхность. Для этого щели всех секций 4 должны быть строго сориентированы относительно друг друга, а между секциями 4 должен быть гарантированный зазор, что обеспечивается установкой между секциями 4 соединительных муфт-центраторов 6, имеющих наружный диаметр на 4-5 мм больше диаметра заряда (фиг. 3).
Муфты-центраторы 6 исключают радиальное смещение секций относительно друг друга и препятствуют контакту заряда с обсадной колонной при его опускании в зону обработки, исключая вероятность его несанкционированного воспламенения. Одновременно муфты-центраторы 6 используются для совмещения щелей секций по длине заряда и сохранения гарантированного зазора между торцевыми поверхностями секций 4, для чего на внутренней поверхности муфт-центраторов 6 выполнено два ребра - радиальное ребро 7, разделяющее муфту-центратор 6 на две равные части, создающее необходимый зазор между торцами соединяемых секций 4, и продольное ребро 8, геометрические размеры которого соизмеримы с увеличенным диаметром одной из канавок каждой секции 4. Перед использованием заряд собирается на штанге 2, длина которой определена из расчета количества секций 4 с применением соединительных муфт-центраторов 6 (фиг. 3). При сборке заряда продольное ребро 8 муфт-центраторов 6 входит в соответствующею канавку соединяемых секций 4. Ориентация щелей секций относительно друг друга также влияет на безостаточность сгорания заряда, т.к. произвольное расположение щелей секций при их установке на штанге 2 изменяет условия воспламенения и сгорания каждой секции 4.
Обработку продуктивного пласта проводят при помощи предлагаемого заряда в следующем порядке: из скважин извлекают насосно-компрессорное оборудование, ранее определенное количество секций 4 заряда последовательно устанавливают с помощью муфт-центраторов 6 на пропускаемые через канал секций 4 стальную штангу 2, с последующим соединением штанги 2 с геофизическим кабелем. Провода воспламенителя присоединяют к проводам геофизического кабеля. После чего заряд на геофизическом кабеле опускают в район продуктивного пласта скважины и устанавливают в зоне перфорации колонны. Заряды воспламеняют подачей электрического импульса на воспламенитель. При сгорании заряда в замкнутом объеме скважины, ограниченном столбом скважинной жидкости и обсадной колонной, в зоне обработки создается высокое избыточное давление продуктов сгорания и высокая температура. Зная технические характеристики скважины и ее горно-геологические особенности, назначают расчетное количество секций заряда для получения избыточного давления, необходимого для разрыва пласта.
Расчет давления 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.
После разрыва пласта часть продуктов сгорания, имеющих высокую температуру, устремляются в продуктивный пласт - очистка пласта от асфальтно-смоло-парафиновых отложений (АСПО), оставшаяся в скважине часть продуктов сгорания поднимает столб скважинной жидкости - депрессия на пласт (очистка пласта). Столб жидкости возвращается в начальное положение, сжимая оставшиеся продукты сгорания и загоняя их в пласт - репрессия на пласт (очистка пласта). Репрессивно-депрессионное воздействие на пласт продолжается до момента, когда гидростатическое давление скважинной жидкости станет равным пластовому давлению.