ОТРАЖАТЕЛЬ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПРИ ТЕРМОГАЗОБАРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ПЛАСТ В СКВАЖИНЕ
IMPACT WAVE REFLECTOR IN CASE OF THERMAL-GAS-BARIC ACTION AT BED IN WELL

Настоящее изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности и, в частности, к взрывным работам в скважине для интенсификации притоков флюида продуктивного пласта в скважину. Устройство может быть применено при применении взрывов с использованием зарядов различной мощности, газогенераторов давления с использованием горючих зарядов (горение и взрыв имеют, по существу, одну и ту же природу, характеризующуюся разной скоростью горения рабочего тела) с большой температурой и большим объемом и высокой скоростью газовыделения, перфорации колонн и открытых стволов скважин. Общим признаком, объединяющим названные виды интенсификации притоков флюида продуктивного пласта является быстротекущее термогазобарическое воздействие на пласт (от долей секунды до нескольких секунд), связанное с обращением энергии большой мощности в зоне пласта, предназначенной, в частности, для вскрытия и/или создания зоны с повышенными фильтрационными свойствами, например, за счет вскрытия существующих или создания новых трещин. Однако, выделенная при работе заряда энергия большой мощности не работает в пласте по назначению. При воздействии на пласт взрывом в скважине отмечаются значительные потери всех сопутствующих этому виду воздействия энергий и значительные разрушения элементов конструкции скважины. При взрыве образуется мощная гидроволна, которая в скважинах глубиной до 3000 м, распространяясь по стволу скважины от эпицентра взрыва к устью, приводит к частичному выбросу жидкости на поверхность. Кроме того, прохождение мощной гидроволны по стволу скважины действует крайне отрицательно на качество сцепления заколонного цементного камня с обсадной трубой, ослабляя это сцепление и/или отрывая цементный камень от колонны и дробя его. Известно, что до половины энергии взрыва (быстротекущего горения) уносится фронтом ударной волны в пространство скважины через жидкость. Учитывая это, на пути движения гидродинамических волн, образующихся в жидкости в стволе скважины, устанавливают экраны для отражения (глушения) и локализации гидродинамических волн.
Имеется ряд технических решений, направленных на уменьшение отрицательного действия быстротекущих термогазобарических процессов в скважине.
Известен отражатель ударной волны при термогазобарическом воздействии на пласт в скважине в виде пены с вязкоупругими свойствами, заполняющей ствол скважины выше заряда взрывчатого вещества (см., например, RU 2252238, 20.05.2005). Вязкоупругие свойства пены интенсивно отражают энергию ударной (взрывной волны) в направлении к устью скважины, гасят ее, что способствует повышению эффективности производства взрывных работ и обеспечению сохранности элементов конструкции скважины.
Недостатком известного решения является значительный расход средств на получение пены больших объемов со стабильными свойствами. Кроме того, в реальных условиях диапазон времени между закачкой пены в скважину и производством взрыва может быть практически любым ввиду непредсказуемости ситуаций - возможности их развития по незапланированному сценарию. Стабильность пены со временем, превышающим допустимое по стабильности свойств, неизбежно отклоняется от заданных параметров по глубине скважины. Отсюда ожидаемый эффект не всегда может быть обеспечен.
Известен отражатель ударной волны при термогазобарическом воздействии на пласт в скважине в виде цилиндрического экрана, установленного выше заряда взрывчатого вещества, и дополнительного экрана, установленного ниже заряда взрывчатого вещества (см., например, RU 2069743, 27.11.1996).
Недостатком известного устройства является низкая надежность отражения ударной волны по стволу скважины, поскольку канал связи зоны взрыва (горения) заряда с удаленной зоной по стволу скважины всегда остается свободным ввиду наличия достаточного зазора между отражателем и стенкой скважины (для обеспечения транспортировки по стволу скважины с учетом ее кривизны). При этом, любой традиционный отражатель характеризуется достаточно высокой плотностью материала, из которого он изготовлен, и потому является средством, проводящим ударную волну в той или иной степени. Более того, известные отражатели не локализуют прочие виды энергии, сопутствующие взрыву (горению) заряда.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и надежности работы устройства.
Необходимый технический результат достигается тем, что отражатель ударной волны при термогазобарическом воздействии на пласт в скважине включает интеркалированный графит в разрушаемой оболочке, помещенный в скважину в зону термогазобарического воздействия, которая совместно с зарядом для термогазобарического воздействия выбраны таким образом, что интеркалированный графит в результате срабатывания заряда для термогазобарического воздействия испытывает ударное - кратковременного термического воздействие с возможностью преобразования в терморасширенный графит в объеме, обеспечивающем локализацию ударной волны в призабойной зоне скважины.
Кроме того:
интеркалированный графит помещен в скважину в зону термогазобарического воздействия, которая совместно с зарядом для термогазобарического воздействия выбраны таким образом, что интеркалированный графит в результате срабатывания заряда для термогазобарического воздействия испытывает ударное - кратковременное термического воздействие температурой в диапазоне 950-1450°C. Это обеспечивает оптимальный вариант отражателя с оптимальным терморасширением классически интеркалированного графита;
в зону термогазобарического воздействия помещен электрохимически объемно интеркалированный графит в растворе азотной кислоты, при этом зона помещения интеркалированного графита и заряд для термогазобарического воздействия выбраны таким образом, что упомянутый интеркалированный графит в результате срабатывания заряда для термогазобарического воздействия испытывает ударное - кратковременное термического воздействие температурой в диапазоне 120-200°C. Это обеспечивает оптимальный вариант отражателя с оптимальным терморасширением особым образом интеркалированного графита. Появляются возможности установки отражателя в удаленной зоне и использования более широкого спектра зарядов;
терморасширенный графит предусмотрен в объеме, обеспечивающем локализацию ударной волны, тепловой энергии и изоляцию газов в призабойной зоне скважины. Обеспечена возможность выполнения отражателем дополнительных функций;
интеркалированный графит размещен на внешней поверхности заряда для термогазобарического воздействия, в нижней и/или верхней его части, в виде кольцевой обечайки, не выходящей за габариты центраторов упомянутого заряда. Предусмотрена возможность локализации энергии или энергий в ближней - эпицентральной зоне термогазобарического воздействия;
интеркалированный графит размещен выше заряда для термогазобарического воздействия на его подвеске и/или ниже упомянутого заряда, для чего упомянутый заряд выполнен с хвостовиком в нижней части. Предусмотрена возможность локализации энергии или энергий в зоне, приближенной к эпицентральной зоне термогазобарического воздействия;
интеркалированный графит размещен дополнительно на внешней поверхности заряда для термогазобарического воздействия, в нижней и/или верхней его части, в виде кольцевой обечайки, не выходящей за габариты центраторов упомянутого заряда. Предусмотрена возможность дублирования в решении задачи по локализации энергии в сопредельных ближних зонах действия заряда для термогазобарического воздействия на пласт;
в качестве заряда для термогазобарического воздействия использован пороховой заряд. Этот тип заряда, как частный пример, обеспечивает принципиальную возможность воздействия на интеркалированный графит в режиме ударного - кратковременного термического воздействия.
в качестве заряда для термогазобарического воздействия использован заряд ракетного топлива. Этот тип заряда, как дополнительный частный пример, обеспечивает принципиальную возможность воздействия на интеркалированный графит в режиме ударного - кратковременного термического воздействия.
заряд для термогазобарического воздействия выполнен в виде набора секций. Это обеспечивает возможность регулирования степени термогазобарического воздействия на пласт и степени воздействия на интеркалированный графит;
оболочка для интеркалированного графита выбрана водонепроницаемой. Это обеспечивает возможность более строгого выдерживания заданной степени терморасширения интеркалированного графита;
оболочка для интеркалированного графита выбрана водопроницаемой. Это обеспечивает возможность увеличения степени расширения интеркалированного графита;
оболочка для интеркалированного графита выбрана изо льна. Это обеспечивает возможность упрощения изготовления оболочки и ее разрушения без следов;
оболочка для интеркалированного графита, предназначенная для размещения на заряде для термогазобарического воздействия в скважине с эксплуатационной колонной 168 мм, выполнена в виде мешка диаметром 12-20 мм и длиной 138-150 мм (частный пример выполнения оболочки для размещения на заряде для конкретной колонны);
оболочка для интеркалированного графита, предназначенная для размещения на подвеске и/или хвостовике заряда для термогазобарического воздействия в скважине с эксплуатационной колонной 168 мм, выполнена в виде мешка диаметром 40-50 мм и длиной 85-105 мм (частный пример выполнения оболочки для размещения на подвеске для конкретной колонны).
Сущность изобретения.
2
3
Особенность настоящего изобретения заключается то, что предложенное устройство в процессе работы на выбранной глубине скважины, т.е. в процессе горения заряда или взрыва (того же горения, но с увеличенной скоростью) автоматически герметизирует сечение скважины в месте нахождения интеркалированного природного графита (специально обработанной исходной графитовой матрицы вспенивающим агентом посредством реакции интеркалирования). Герметизация происходит за счет ударного воздействия температурой, например, в 950-1450°C на упомянутый интеркалиро-ванный графит и термовспенивания последнего. В результате ломкий графит превращается в наноструктурированный легкий «графитовый пух» с уникальными свойствами. Удельная поверхность в ряде случаев может достигать 200 м/г, насыпная плотность - 0,7-0,8 кг/м, а степень расширения вдоль тригональной оси «с» графитовой матрицы - 300-800 раз. Материал характеризуется малой толщиной пачек графеновых слоев (20-70 нм) и большим количеством пор размером 2-5 нм. «Графитовый пух» перекрывает полностью сечение скважины по ее длине и обеспечивает эффективное поглощение ударной волны, максимальные теплоизоляцию и газоизоляцию в зоне воздействия. В результате энергия, выделившаяся при взрыве (горении) заряда не теряется через ствол скважины, а сохранятся в призабойном пространстве скважины, осуществляя полезную работу в виде термогазобарического воздействия на выбранную зону воздействия.
Интеркалированный графит может быть получен, например, по патенту RU 2378193, 10.01.2010 путем внедрения в межслоевое пространство кристаллической решетки графита молекул и ионов определенных веществ - интеркалятов иногда в присутствии активаторов - как правило, окислителей, например, перекиси водорода, бихромата калия, оксида хрома.
В массовом промышленном производстве используют соединения внедрения с концентрированными серной и азотной кислотами, которые получают химическим или электрохимическим окислением порошка природного графита.
При интеркалировании всегда происходит значительное (в несколько раз) увеличение расстояния между графитовыми слоями и может нарушиться порядок чередования слоев, характерный для монокристаллического графита. Отличительной особенностью интеркалированного графита является наличие целого спектра соединений одного и того же интеркалата, различающихся составом и строением. Они называются ступенями интеркалирования. Номер ступени равен числу графитовых сеток между ближайшими слоями внедренного вещества. Всего ступеней внедрения может быть до 10-11. При первой ступени внедрения достигают максимальной концентрации вспенивающего агента. Однако, на этой ступени в максимальной степени проявляются дефекты исходной матрицы графита, не способствующие оптимальному удерживанию газа в своей структуре. Максимальные ступени интеркалирования используют в промышленности для придания особых свойств изделиям из вспененного графита.
В скважине по настоящему изобретению предполагается использование не более 3-ей ступени интеркалирования, поскольку необходимо лишь получение наноструктуры низкой плотности. Наиболее оптимальным вариантом интеркалата является азотная кислота, поскольку эта кислота является самовнедряющимся агентом. Для интеркалирования же серной кислоты необходимо использование дополнительного окислителя или анодной поляризации.
Чем выше температура и скорость нагрева интеркалированного графита, тем больше степень вспенивания - диспергирования исходной матрицы графита. Последнее определяет увеличение адгезионных сил между наночастицами.
Модель вспенивания (разрушения) интеркалированного графита основывается на том, что с ростом температуры положение интеркалата в графитовой матрице становится неустойчивым. Интеркалат диффундирует из межслоевого пространства в междоменные дефекты. Полученные таким образом кластеры испаряются, давление в материале повышается, растет внутреннее напряжение, что приводит к расширению (вспениванию) интеркалированного графита. В упорядоченных областях интеркалированного графита при нагревании возникают плоские микротрещины, развитие которых ведет к двум режимам разрушения образца: сначала режим хрупкого разрушения, а затем режим вспенивания. В первом случае диаметр плоских микротрещин увеличивается и приводит к расщеплению графитовой матрицы, то есть к формированию тонкой структуры микропор с дискретным спектром. Расширение при этом незначительно. При режиме вспенивания стенки плоских трещин выгибаются. После того, как изгибающий момент на краях превысит критическое значение, плоские трещины открываются в форме «пузырей» и наблюдается значительное расширение образца.
При постепенном же нагреве происходит стадийное выделение воды, кислотных окислов, газов. В условиях термоудара все стадии практически совмещаются во времени, обеспечивая высокую степень расширения. Медленный нагрев приводит к выходу газов и паров без нарастания давления, образуя терморасширенный графит с низкой степенью вспенивания (см., например, Н.Е. Сорокина и др.. Композиционные наноматериалы на основе интеркалированного графита. Москва, Московский гос. Ун-т им. М.В. Ломоносова, Научно-образ. центр по нанотехнологии, Химический ф-т, 2010).
Вышеописанным условиям с ударным термическим режимом отвечает термогазобарическое воздействие на пласт в скважине с использованием взрывчатых или горючих веществ, например, типа пороха с необходимой скоростью горения в широко известных зарядах для термогазобарического воздействия на пласт в скважине (аккумуляторах давления типа АДС- 5, АДС-6, АДС-7, АДС-8) или типа ракетного топлива. Время работы этих зарядов может быть отрегулировано в необходимом от нескольких долей секунды до нескольких секунд. Температура горения этих зарядов в эпицентре достигает 2000°C градусов Цельсия (может быть отрегулирована в нужном диапазоне температур, например, за счет использования необходимого количества точек инициирования заряда).
Для достижения оптимального терморасширения классически интеркалированный графит должен быть помещен непосредственно в зону термогазобарического воздействия или в ближнюю зону этого воздействия. Для получения оптимального эффекта выбор заряда, например, по величине мощности, со схемой его инициирования и расстояние на котором должен быть размещен от центра заряда интеркалированный графит может быть предусмотрено предварительное моделирование с известными средствами измерения температуры во времени и по расстоянию.
Особым образом интеркалированный графит (например, электрохимически объемно интеркалированный в растворе азотной кислоты), имеет возможность терморасширения при значительно меньших температурах -120-200°C. Это, в свою очередь, расширяет возможности размещения отражателя относительно заряда - появляется возможность размещения отражателя в более удаленной зоне - выше продуктивного пласта и использования зарядов более широкого температурного спектра воздействия.
Устройство работает следующим образом.
Для термогазобарического воздействия на пласт в скважине предусмотрено использование заряда, например, типа скважинного аккумулятора давления АДС-6. На геофизическом кабеле или на переводнике в верхней части заряда или в самом корпусе заряда выполнена кольцевая проточка. В нее помещен интеркалированный графит в оболочке.
Расчет навески интеркалированного графита для образования отражателя ударной волны из терморасширенного графита над зарядом для термогазобарического воздействия на пласт в скважине АДС-6):
исходные данные:
Использован графит марки ГСМ-1 (графит специальный малозольный, ГОСТ 18191-78, производства Завальевского графитового комбината, Украина) крупночешуйчатый природный графит, подвергнутый химическому обеззоливанию.
Выбранный графит подвергнут в соответствии с решением по вышеупомянутому патенту RU 2378193 классическому интеркалированию концентрированной азотной кислотой до второй ступени. Ожидаемая степень расширения - К при температуре 1900° - 500 см3/г.
Внутренний диаметр эксплуатационной колонны D=16,2 см (R=8,1 см).
Длина пробки из терморасширенного графита - L, обеспечивающая отражение - локализацию ударной волны в призабойной зоне скважины принята в 2 м.
2
Объем пробки - V (V=πR*L)
V=3,14*65,61*200=41203 см2
Масса навески интеркалированного графита - М (M=V/K)
М=41203/500=82,4 г.
На подвеске в виде геофизического кабеля спускают АДС-6 в скважину на глубину 1500 м против продуктивного пласта. Инициируют горение заряда. При сгорании заряда в течение 2 сек. Происходит ударное термическое воздействие на интеркалированный графит. В результате интеркалированный графит преобразуется в терморасширенный графит, который перекрывает сечение скважины в виде пробки длиной 2 м, которая локализует ударную волну в призабойной зоне скважины, что исключает потери энергии по стволу скважины выше заряда. При увеличении пробки по длине, например, на 30% обеспечена возможность локализации тепловой энергии, а также предотвращена утечка газов по стволу скважины. Локализованная таким образом призабойная зона скважины превращается в пульсирующую, на время затухания гидродинамических явлений от термогазобарического воздействия, парогазовую печь с интенсивным достаточно длительным режимом воздействия на пласт, способствующим раскрытию существующих трещин в пласте, расплавлению асфальтосмолопарафиновых отложений и созданию густой сети трещин, охватывающих пласт по всей его высоте за пределы зоны кольматации. Все это способствует усилению притока продукции пласта в скважину.