ЗАРЯД ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА

Полезная модель относится к бескорпусным секционным зарядам, применяемым при добыче нефти для воздействия на пласт путем его гидроразрыва. Одним из рациональных и эффективных методов воздействия на призабойную зону продуктивного пласта с целью установления надежной гидродинамической связи скважины с пластом является депрессионное воздействие на пласт твердотопливного заряда (газогенератора). Под воздействием давления жидкости и газа, равного или превышающего горное давление, горные породы необратимо деформируются. Способ разрыва пласта пороховыми газами основан на механическом, тепловом и химическом воздействии газов на горные породы и насыщающие их флюиды.
Из патентной литературы известны заряды для воздействия на пласт, устройства и способы возбуждения упругих колебаний для проведения гидроразрыва пластов для интенсификации добычи нефти из разрабатываемых месторождений SU №1195915, RU №№34632, 51397, 65568, 70929, 78522, 2069743, 2106485, 2120028, 2176403, 2178072, 2183739, 2183741, 2183740, 2275501, 2278252, 2278253, 2287055, 2310068, 2318991, 2345215, 2412346, US №№6732799, 7621332, 7353866, 7748457, CN №№2630493, 101358519, 101737027, 101737028, 201568038.
Известен заряд бескорпусный секционный для газодинамического воздействия на пласт, включающий узел воспламенения, пороховые секции заряда, изготовленные из составов, обеспечивающих горение в водной, водонефтяной и кислотной среде, причем одна или несколько пороховых секций воспламенительные, и оснастки, включающей детали для сбора пороховых секций заряда, пропущенных через центральный канал каждой пороховой секции, и деталей, обеспечивающих стягивание пороховых секций вплотную друг к другу, оснастка представляет собой составную штангу с полым каналом, проходящим внутри штанги вдоль ее центральной оси, состоящую из составной несущей части штанги, пропущенную через центральный канал каждой секции заряда, через рассеиватель для отвода газового потока, образующегося пригорении заряда, компенсатор линейного расширения пороховых секций заряда при высоких температурах в скважине, и составных частей штанги, присоединенных к обоим концам составной несущей части штанги посредством муфт, обтекаемой формы для стягивания и поджатия секций заряда вплотную друг к другу, 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.(RU №2183740).
Известен заряд бескорпусный секционный для газогидравлического воздействия на пласт, включающий узел воспламенения, секции заряда, изготовленные из составов, обеспечивающих горение в водной, водо-нефтяной и кислотной средах, с одной или несколькими воспламенительными секциями для возгорания основных секций и оснастку, секции заряда имеют центральный канал, конфигурация которого имеет форму с развитой поверхностью горения для обеспечения заданного времени горения и давления для гидроразрыва пласта, оснастка представляет собой составную штангу, пропущенную через центральный канал каждой секции заряда, к обоим концам штанги присоединены конусы-центраторы обтекаемой формы для стягивания и поджатия секций заряда вплотную друг к другу с диаметром, превышающим диаметр секций заряда, между секциями заряда установлены центрирующие кольца, превышающие по диаметру диаметр секций заряда, причем кольца изготовлены таким образом, чтобы не менялась динамика горения заряда, между нижним конусом-центратором и секциями заряда расположен рассеиватель для отвода газового потока, образующегося при горении заряда, центральный канал секций заряда и внутренняя полость рассеивателя представляют собой контейнер для доставки в интервал обработки вещества в твердом, или в жидком, или в гелеобразном виде, а для обеспечения герметичности контейнера места сочленения всех элементов контейнера выполнены герметичными, центрирующие кольца выполнены таким образом, что позволяет при сборке устройства герметизировать места сочленения секций заряда, отверстия рассеивателя загерметизированы от внешней среды кожухом или пробками, обеспечивающими разгерметизацию рассеивателя при горении заряда, кроме того, между рассеивателем и секциями заряда установлены герметичные прокладки, при этом прокладки и центрирующие кольца выполнены таким образом, чтобы компенсировать линейное расширение заряда от температуры в интервале обработки, при этом диаметр секций заряда, конфигурация центрального канала секции заряда и внутренний объем рассеивателя выполнены так, чтобы обеспечить доставку в интервал обработки пласта необходимого объема вещества (RU №2278253).
Известен бескорпусный секционный заряд для воздействия на пласт, содержащий размещенную вдоль составной несущей штанги бескорпусную группу секций заряда из твердого топлива, пригодного для горения в жидкой среде, выполненных с осевым каналом, в котором размещена с зазором упомянутая несущая штанга, на концах которой установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы, а между секциями заряда расположен воспламенитель, выполненный в виде подключенной к проводу питания нихромовой спирали, размещенной на торце секции заряда и закрепленной с помощью упругих фиксаторов вокруг его фигурного осевого канала с возможностью воспламенения топлива заряда по поверхности осевого канала, а также центрирующие кольца, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций, при этом конусы выполнены с отверстиями для прохода продуктов сгорания, причем нижний конус выполнен полым с отверстиями в виде боковых окон. Нихромовая спираль воспламенителя намотана на резиновый шнур и подключена к проводу питания с помощью отрезков промежуточных изолированных медных проводов, а осевой канал воспламенителя выполнен фигурным с несколькими полыми лучами, при этом резиновые фиксаторы установлены в лучах осевого канала и выполнены каждый в виде усеченного конуса с центральным ступенчатым каналом, в котором размещена спайка спирали с промежуточным проводом. Заряд снабжен составной удлинительной штангой, соединенной с верхним конусом и снабженной кабельным наконечником для соединения провода питания воспламенителя с геофизическим кабелем, измерительным блоком, а нижний конус выполнен со сквозным центральным каналом для несущей штанги, на нижнем конце которой установлен автономный измерительный блок. Измерительный блок выполнен с датчиками давления, температуры, виброакустических параметров. Верхний конус выполнен с отверстиями в виде продольных пазов. Верхний конус оперт на секцию заряда через дополнительно установленную пружину. Центрирующие кольца выполнены коническими. Верхний конус установлен на несущей штанге с зазором и выполнен полым с отверстиями в виде боковых окон и продольных пазов. Центрирующие кольца выполнены цилиндрическими с коническими фасками по торцам. Пружина 14 предназначена для упругого поджатая через проставку 10 секций 3 заряда и компенсации линейного расширения секций 3 заряда при высоких температурах в скважине (RU №117502, фиг. 1, прототип).
Недостатками известных устройств являются низкие надежность и безопасность, обусловленные тем, что проставка 10 при наличии восходящих горячих газов, нагружена давлением последних и прижимает пружину 14 к верхнему конусу 8 и, поскольку не имеет на опорной части проходов для газов и ее наружная поверхность не обтекаемой формы, воздействует на верхний конус как поршень и подбрасывает заряд вверх. После сгорания заряда и истечения газа вверх металлическая оснастка падает вниз и производит рывок на геофизический (картонажный) кабель. При этом вероятность обрыва перегретого кабеля велика даже при незначительных ударных нагрузках. (Геофизический кабель - грузонесущий кабель контроля, управления и сигнализации для цепей дистанционного измерения геофизических свойств пород, проходимых при бурении и промыслово-геофизической разведке скважин).
Таким образом, в известных конструкциях имеются существенные предпосылки повышенной аварийности, связанной с выходом из строя геофизического кабеля и его обрывом.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного заряда для воздействия на пласт и расширение арсенала зарядов.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в повышении безаварийности (безопасности и надежности) при эксплуатации заряда.
Сущность полезной модели состоит в том, что заряд для гидроразрыва пласта содержит размещенную вдоль составной несущей штанги бескорпусную группу секций заряда из твердого топлива, пригодного для горения в жидкой среде, выполненных с осевым каналом, в котором размещена с зазором упомянутая несущая штанга, на концах которой установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы, между верхней секцией заряда и пружиной размещена проставка, имеющая осевое отверстие для штанги, а между секциями заряда расположен воспламенитель, выполненный в виде подключенной к проводу питания спирали, размещенной на торце секции заряда, а также центрирующие кольца, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций, при этом конусы выполнены с отверстиями для прохода продуктов сгорания, а нижний конус выполнен полым с отверстиями в виде боковых окон, причем проставка выполнена с радиальными пазами по периметру своего осевого отверстия с образованием каналов для прохода продуктов сгорания вдоль штанги.
Предпочтительно, проставка выполнена в форме шайбы с двумя кольцевыми проточками по торцам для сопряжения проставки с верхней секцией заряда и с пружиной, а радиальные пазы проставки выполнены сквозными между указанными кольцевыми проточками, радиальные пазы проставки выполнены с формой и проходным сечением, выбранными из условия минимального сопротивления восходящему потоку продуктов сгорания, радиальные пазы проставки выполнены постоянного сечения по высоте, со скруглениями на периферии.
При этом проставка выполнена с восемью радиальными пазами и с обтекаемой наружной поверхностью, предпочтительно, с конической наружной поверхностью со скругленными краями, с сужающейся частью, направленной к пружине.
На чертеже фиг. 1 изображена конструктивная схема заряда для гидроразрыва пласта, на фиг. 2 - проставка, применяемая, как правило, ранее с известными зарядами - аналогами, на фиг. 3 - конструкция проставки в заявляемом заряде, на фиг. 4 - схема соединений воспламенителя, на фиг. 5 - конструктивная схема воспламенителя.
Заряд для гидроразрыва пласта (идентично - воздействия на пласт) содержит составную несущую штангу, составленную из штанги 5 нижней, штанги 6 промежуточной, штанги 7 верхней. Вдоль составной несущей штанги 5-7 размещена бескорпусная группа секций 3 заряда (безоболочные пороховые шашки 3), из твердого баллиститного ракетного топлива (пороха) третьей энергетической группы по ОСТ В 84-439-82, которое обеспечивает горение в водной, водонефтяной, кислотной средах, пригодного для горения в жидкой среде. Секции 3 выполнены с осевым каналом, в котором установлена с зазором упомянутая штанга 5-7. На концах штанг 5, 7 установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний центрирующие конусы 8 и 2, соответственно. Конусы 2, 8 поджимают и обеспечивают стягивание секций 3 вплотную друг к другу. Конусы 2, 8 имеют обтекаемую форму для снижения механической нагрузки на штангу 5-7, диаметр конусов 2, 8 превышает диаметр секций 3 заряда, что позволяет предохранять их от трения и ударов о стенки скважины. Между секциями 3 заряда, на торце одной из секций 3 (воспламенительной секции 3) в проточке 32 (фиг. 5) размещен воспламенитель 1 (узел воспламенения с нагревательной спиралью), соединенный с проводом 18 питания и размещенный с возможностью воспламенения топлива зарядов 3 по поверхности осевого канала последних, который может быть выполнен фигурным - развитой внутренней поверхностью горения. Между секциями заряда 3 установлены центрирующие кольца (центраторы) 4, по диаметру превышающие диаметр секций 3 заряда, не позволяющие смещаться секциям 3 зарядам относительно друг друга, и в случае изгиба штанги 5-7 в наклонной скважине касаться стенок обсадной колонны. Центраторы 4 изготовлены таким образом, чтобы не менялась динамика горения заряда. Конусы 2,8 выполнены с периферийными отверстиями 24, 25 (периферийные отверстия 25 выполнены в виде продольных пазов), для прохода продуктов сгорания, причем нижний конус 2 выполнен полым (по меньшей мере, частично) со стороны секций 3, с отверстиями в виде радиальных боковых окон 24.
Воспламенитель 1 (фиг. 4, фиг. 5) состоит из нихромовой спирали 31, находящейся на торце воспламенительной секции 3 заряда, и намотанной на резиновый шнур 28, двух упругих резиновых фиксаторов 29, двух отрезков 30 провода МГШВ. Спираль 31 может изготавливаться, например, из нихрома Х20Н80 или Х15Н60. Длина отрезков 30 провода и количество витков спирали 31 выбираются из условия обеспечения требуемого разогрев и воспламенения топлива секций 3 заряда за заданное время при заданном гарантийном токе. Резиновые фиксаторы 29 выполнены каждый в форме усеченного конуса со ступенчатым центральным каналом (не обозначен), имеющим больший диаметр со стороны основания большего диаметра усеченного конуса и меньший диаметр со стороны основания меньшего диаметра усеченного конуса фиксатора 29 таким образом, что больший диаметр фиксатора 29 несколько превышает диаметр луча (радиального выступа) фигурного осевого канала 35 воспламенительной секции 3. Величины диаметров оснований и высоты конуса фиксатора 29 рассчитаны так, чтобы обеспечить его плотную (устойчивую) установку с некоторым натягом в полом луче фигурного канала 35, за счет упругости материала фиксатора 29.
Концы нихромовой спирали 31 спаяны с отрезками 30 проводов МГШВ так, чтобы диаметр спайки 33 был больше меньшего диаметра ступенчатого центрального канала фиксатора 29, имеющего уступ в месте сопряжения большего и меньшего диаметров этого центрального канала. Каждый отрезок 30 провода МГШВ пропущен (проложен через ступенчатый центральный канал) через каждый фиксатор 29 со стороны большего диаметра канала фиксатора 29 таким образом, чтобы спайка 33 с отрезком 30 провода МГШВ упиралась в уступ меньшего диаметра этого центрального канала каждого фиксатора 29. Фиксаторы 29 вставлены в лучи фигурного осевого канала 35 с отрезками 30 провода МГШВ, обращенными в сторону соединения 34 с проводом 18 питания. Такая установка воспламенителя 1 демпфирует и, тем самым, предохраняет спираль 31 и ее соединение (спайку) 33 от нарушения их целостности при механических нагрузках на провод 18 питания при сборке, подъеме, спуске за счет упругости материала фиксаторов 29. Провод монтажный МГШВ (отрезки 30) представляет собой покрытую полиэтиленовой изоляцией жилу из медной луженой проволоки, которая хорошо спаивается с нихромовой спиралью 31.
Заряд снабжен удлинительной штангой, соединенной с верхним конусом 8 и снабженной кабельным наконечником 21 для соединения провода питания 18 воспламенителя с геофизическим кабелем 22 скважины. Удлинительная штанга служит для уменьшения турбулентности газового потока, поднимающегося вверх, и снижения тепловой нагрузки на геофизический кабель 22, который через стыковочный узел 9 и кабельный наконечник 21 соединен с устройством управления. Стыковочный узел 9 служит для соединения кабельного наконечника 21 с удлинительной штангой и служит для контакта между проводом питания 18 и геофизическим кабелем 22. Провод питания 18 зафиксирован на удлинительной штанге изолентой 19.
Удлинительная штанга, как правило, выполнена составной и состоит из штанг 11, 12 соединительных и штанги 13 стыковочной. Такая сборка штанг 11-13 обеспечивает целостность конструкции при механических и температурных нагрузках в процессе горения заряда и при его спуске в скважину.
Заряд снабжен автономным измерительным блоком 23, а нижний конус 2 выполнен со сквозным центральным каналом для несущей штанги 5 нижней (части несущей штанги 5-7), на нижнем конце которой установлен измерительный блок 23. Конус 2 зафиксирован гайкой 20. Измерительный блок 23 выполнен с датчиками давления, температуры и виброакустических параметров. Геофизический кабель предназначен для спуска и подъема в скважине приборов и аппаратов, их питания электроэнергией Наземный пульт включает систему для защиты заряда от несанкционированного инициирования на земной поверхности и блокирования поджога заряда при атмосферном давлении.
Заряд по фиг. 1 имеет верхний конус 8, выполненный с отверстиями в виде наружных продольных пазов 25, количество и размеры которых могут иметь различное значение в зависимости от геолого технических условий. Между верхней секцией 3 заряда и пружиной 14 размещена проставка 10 с проточками по торцам, имеющая осевое отверстие для штанги 7 и радиальные пазы 26 по периметру (периферии) своего осевого отверстия с образованием сквозных каналов для прохода продуктов сгорания (потока газов) вдоль штанги 7, а наружная поверхность имеет обтекаемую коническую форму со скругленными краями, с сужающейся частью (усеченной вершиной), направленной к пружине. При этом верхний конус 8 оперт на верхнюю секцию 3 заряда через пружину 14, которая опирается на проставку 10, и зафиксирован гайками 16, 17. Пружина 14 предназначена для упругого поджатия через проставку 10 секций 3 заряда и компенсации линейного расширения секций 3 заряда при высоких температурах в скважине. Проставка 10 служит для исключения трения между пружиной 14 и верхней секцией 3 заряда при сборке и спуске заряда в скважину, а при работе заряда - для формирования и пропускания с минимальным сопротивлением через радиальные пазы 26 газового потока продуктов сгорания, обеспечивающего наименьшую подъемную силу исходящего потока газа (т.е. минимальную подъемную силу восходящего потока газов). Проставка 10 (фиг. 3) выполнена с обтекаемой (конической) наружной поверхностью, что также направлено на минимизацию подъемной силы от восходящего потока газов.
Нижний конус 2 снабжен изолирующей прокладкой 15. Центрирующие кольца 4 этого заряда выполнены, с двух сторон коническими.
Заряд для гидроразрыва пласта (идентично - для воздействия на пласт) работает следующим образом.
Собранный заряд опускают в интервал перфорации скважины. По команде оператора с наземного пульта производят запуск воспламенительной секции 3 подачей электрического тока по геофизическому кабелю 22 и по проводу питания 18 на спираль узла 1 воспламенения, находящегося на торце воспламенительной секции 3 заряда. Надежное крепление узла 1 в воспламенительной секции фиксаторами, исключает обрыв цепи. При температуре разогрева спирали 31, превышающей температуру воспламенения топлива, возгорается секция 3 с установленным узлом 1 воспламенения и от нее остальные секции 3 заряда. По результатам стендовых испытаний, при гидростатическом давлении 10 МПа, время воспламенения всей поверхности заряда не превышает 0,1 с. Горение происходит по всей поверхности секций 3 заряда - наружной, торцевой и внутренней. Секции 3 заряда не имеют корпуса или покрытия, поэтому горение топлива осуществляется по всей поверхности секций 3 заряда. Конфигурация центрального канала секций 3 имеет форму с развитой поверхностью горения, что обеспечивает заданное время горения и давление, необходимое для гидроразрыва пласта. Горение порохового заряда в скважине, заполненной жидкостью, сопровождается резким повышением давления и температуры.
Продукты сгорания вместе со скважинной жидкостью под действием давления, равного горному или превышающего его, с высокой скоростью залавливаются через перфорационные каналы или естественные трещины в пласт, выполняя роль клина, раздвигающего горную породу.
2
2
2
2
2
Образующиеся при горении секций 3 продукты сгорания - газы (CO, CO, N, Cl) снижают вязкость и поверхностное натяжение нефти на контактах с горной породой за счет растворения в ней CO, CO, N и частично растворяют карбонатные породы, цемент и окислы железа образующейся соляной кислотой. Механическое воздействие пороховых газов на пласт (трещинообразование) обеспечивается за счет создаваемого в скважине давления, темпа его роста и времени действия избыточного давления. Тепловое воздействие проявляется в расплавлении твердых парафиновых и асфальто-смолистных отложений горячими пороховыми газами, движущимися с высокой скоростью по перфорационным каналам и трещинам.
При горении заряда образуется большое количество горячих газов, которые через окна 24-25 попадают в скважину (обсадную колонну - трубу). Под воздействием давления продуктов сгорания - пороховых газов жидкость смещается по стволу скважины.
Горячие пороховые газы поднимают столб скважинной жидкости вверх, но так как в обсадной колонне, заполненной до устья, столб скважинной жидкости имеет большую массу, то за счет инерции, то он играет роль пакера. [Пакер (англ. packer - уплотнитель), приспособление в буровой скважине для перекрытия и герметизации отдельных зон скважин (нефтяных, газовых, водяных, геологоразведочных)].
Поэтому горение происходит аналогично горению в замкнутом объеме, что приводит к резкому повышению давления в скважине в интервале обработки. При повышении давления в 1,5-1,8 раза выше горного (в зависимости от характеристик пласта), происходит интенсивный разрыв пласта с образованием трещин в призабойной зоне пласта и переток скважинной жидкости и горячих газов в образовавшиеся трещины. Горячие пороховые газы поднимают столб скважинной жидкости вверх до тех пор, пока их давление не выровняется с гидростатическим давлением. Давление в заколонном пространстве на уровне подъема жидкости, переданное через перфорационные отверстия, практически совпадает с давлением в колонне и, следовательно, исключает разрыв колонны. После чего столб жидкости падает вниз, что сопровождается гидроударом и затухающими колебаниями столба жидкости, увеличивая полученный эффект.
Проставка 10 в период наличия восходящих продуктов сгорания, т.е. горячих газов, пропускает их через пазы (сквозные отверстия) 26 вдоль штанги 7. Благодаря этому проставка 10 практически разгружена от давления газов и не прижимает пружину 14 к верхнему конусу 8 и, поскольку имеет на опорной части сквозные отверстия 26 для прохода газов, одновременно ее наружная поверхность обтекаемой формы улучшает условия обтекания газами. Воздействие на верхний конус 8 со стороны проставки 10 отсутствует или минимально. Проставка 10 по мере сгорания секций 3 заряда медленно опускается. После сгорания заряда и истечения газа вверх рывок на геофизическом кабеле 22 не происходит. В результате, вероятность обрыва перегретого геофизического кабеля 22 отсутствует и обеспечена безаварийность (безопасность и надежность) эксплуатации заряда.
Контроль за работой заряда и оценку его воздействия на пласт осуществляют при помощи непрерывно регистрируемых графиков давления и температуры, виброакустических параметров во времени, с помощью автономного измерительного блока 23 с автономными датчиками типа КСА.
После окончания работ металлические части (оснастка) с измерительным блоком поднимается из скважины и могут использоваться повторно.