Универсальный твердотопливный генератор давления
UNIVERSAL SOLID-FUEL PRESSURE GENERATOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к твердотопливным генераторам давления, предназначенным для термобарохимической обработки продуктивного пласта скважин 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: импульсом давления, временем его работы и максимальным давлением продуктов сгорания;
- создание конструкции твердотопливного генератора с заданным режимом 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 A, 10.07.1999
RU 97118480 A, 27.08.1999
RU 2151282 C1, 20.06.2000
RU 2175059 C2, 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 C2, 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
RU 2597302 CI, 10.09.2016
Наиболее близким к предлагаемому решению по назначению, конструкторскому исполнению и функционированию является универсальный твердотопливный генератор давления скважинный, представленный в патенте RU 2597302 C1, 10.09.2016, взятый авторами за прототип.
Твердотопливный генератор по данному изобретению представляет собой заряд, состоящий из набора шашек баллиститного топлива, устанавливаемых концентрическими кругами вокруг центральной шашки, имеющей цилиндрический осевой канал, которые скрепляются между собой по внешним образующим (боковым поверхностям) путем склеивания нитроцеллюлозным клеем на длине 0,065-0,1 длины генератора со стороны обоих торцов, при этом соотношение наружного диаметра центральной твердотопливной шашки и наружного диаметра периферийных шашек равно (2,2-5,5):1.
Существенным недостатком прототипа является недостаточное количество газообразных продуктов сгорания, необходимых для очистки продуктивного пласта после его разрыва, что обусловлено малой массой твердотопливных элементов генератора.
Если при разработке конструкции генератора, взятого за прототип, решалась задача регулирования в широком диапазоне его рабочих характеристик - импульса давления и времени его работы, то при разработке заявленной конструкции генератора, наряду с указанной задачей, должна быть решена задача получения необходимого газоприхода для последующего после разрыва продуктивного пласта репрессионно-депрессионного воздействия на него с целью очистки от асфальто-смолистых парафиновых отложений (далее - АСПО). Массу топлива, обеспечивающую необходимый газоприход, можно увеличить только за счет увеличения наружного диаметра центральной шашки, что приведет к уменьшению количества периферийных шашек, резкому уменьшению поверхности горения, уменьшению импульса давления и, как следствие, - потере положительного эффекта от срабатывания генератора. Сохранить поверхность горения в этом случае и даже существенно увеличить ее можно, заменив бесканальные периферийные шашки на канальные, при этом необходимо уменьшить внешний диаметр периферийных шашек, что позволит сделать компоновку более плотной и дополнительно увеличить общий вес генератора.
С целью получения максимального эффекта при воздействии на продуктивный пласт, повышения надежности срабатывания и обеспечения универсальности применения предлагается конструкция твердотопливного генератора давления с заданным режимом работы (фиг. 1), представляющая собой заряд, собранный из шашек баллиститного топлива: однотипных шашек 1, имеющих цилиндрический осевой канал, устанавливаемых концентрическими рядами вокруг центральной шашки 2, имеющей цилиндрический осевой канал, которые скрепляются между собой по внешним образующим (боковым поверхностям) нитроцеллюлозным клеем 3 на длине не более 0,2 длины генератора со стороны обоих торцов. При этом соотношение наружного диаметра центральной шашки 2 и диаметра ее канала равно (2-7):1, соотношение наружного диаметра однотипных твердотопливных шашек 1 и диаметра их канала равно (2-3):1, а соотношение наружного диаметра центральной шашки и диаметра периферийных шашек равно (5-11):1. Полученное расчетом соотношение диаметров, обеспечивающее оптимальную поверхность горения и оптимальный вес заряда, в сочетании с изменением количества периферийных шашек 1 и их длины, позволило перейти на новый уровень качества генератора давления, т.е. позволяет в управляемом режиме производить последовательно разрыв пласта и его очистку от АСПО путем репрессионно-депрессионного воздействия на пласт за счет серии колебательных движений скважинной жидкости над продуктивным пластом, приводимой в возвратно-поступательное движение продуктами сгорания заряда генератора. Пульсация давления повторяется в течение времени, значительно превышающего время горения генератора (фиг. 3).
Воспламенение заряда генератора производится при помощи электронагревательного элемента 4, вмонтированного во внешнем ряду периферийных шашек 1 (фиг. 2). Для размещения электронагревательного элемента уменьшают длину нескольких шашек. Данная схема расположения нагревательного элемента, сохраняя все преимущества, заявленные в прототипе, характеризуется существенным повышением технологичности изготовления генератора и, как следствие, уменьшением трудозатрат при ее реализации. Нагревательный элемент устанавливается на каждый 2-й или 3-й заряд (в зависимости от заявки Заказчика).
Обработка скважины при помощи предлагаемого генератора давления производится в следующем порядке: определенное количество генераторов последовательно устанавливается в корпусное импульсное устройство (фиг. 4) или на стальную штангу (фиг. 5), пропускаемую через канал центральной шашки. Провода электронагревательного элемента присоединяют к проводам кабель-троса. Из скважины извлекают насосно-компрессорное оборудование. После чего генераторы на геофизическом кабель-тросе опускают в район продуктивного пласта и устанавливают в зоне перфорации обсадной колонны. Заряды генераторов воспламеняют подачей электрического импульса на нагревательный элемент 4. При сгорании заряда генераторов 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 горногеологические особенности, назначают расчетное количество генераторов 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 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). Репрессионно-депрессионное воздействие на пласт продолжается до момента, когда гидростатическое давление скважинной жидкости станет равным пластовому давлению (фиг. 3).