ГАЗОГЕНЕРАТОР ДЛЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СКВАЖИН
GAS GENERATOR FOR OIL AND GAS CONDENSATE WELLS

Изобретение относится к области нефтедобычи, а именно: к устройствам для повышения производительности нефтяных и газоконденсатных скважин путем термо-, газохимического воздействия на призабойную зону скважин. При этом происходит горение заряда твердого топлива с образованием высокотемпературных газообразных продуктов, под большим давлением проникающих в призабойную зону скважины. Попадая в мелкие трещины горной породы, газообразные продукты горения вместе с водяным паром и жидкостью, обладая расклинивающим давлением, расширяют и удлиняют их. Одновременно, так как среди продуктов горения присутствуют галогеноводороды, последние могут взаимодействовать с компонентами горной породы с образованием растворимых соединений, таким образом увеличивая ее проницаемость.
Конструкция газогенератора включает два блока, связанные между собой. Первый блок - блок воспламенения обеспечивает воспламенение основного заряда твердого топлива. Второй - зарядный блок создает высокотемпературный поток парогазовой смеси, проникающий под большим давлением внутрь призабойной зоны пласта и образующий систему трещин в призабойной зоне. С точки зрения производительности нефтяных скважин наибольшее влияние на производительность скважин оказывает трещинообразование горной породы. Последнее зависит от величины скачков давления в ходе горения твердого топлива, их частоты и амплитуды. Немаловажное значение для производительности скважин имеет и температурное воздействие на нефтяной флюид высокотемпературной парогазовой смесью (в особенности для вязких смесей). Происходит выплавление парафинов и смолистых веществ и освобождение порового пространства от засорителей. Вместе с тем, создаваемые газогенерирующие устройства должны отвечать требованиям безопасности, простой эксплуатации, невысокой стоимости и автономности, что важно для промысловых условий.
Этим требованиям отвечают газогенерирующие устройства с системой воспламенения на основе адиабатического сжатия газа, которые не требуют проведения работ с каротажным кабелем и далее рассматриваются в данном изобретении.
Известно устройство для обработки нефтяных и газоконденсатных скважин, позволяющее повысить их продуктивность (Кольцова Э.М., Глебов М.Б., Лазарев В.М., Женса А.В. Газогенератор для нефтяных и газовых скважин. Патент РФ №2456443 С1, МПК Е21В 43/263 (2006/01). Опубликовано: 20.07.2012 г. БИ №20). Устройство включает основной заряд твердого топлива, цилиндрическое воспламеняющее устройство с узлами герметизации в верхней и нижней частях и зафиксированным поршнем в верхней части цилиндрического корпуса с возможностью его срезания при заданном внешнем давлении, температурный промотор. Особенностью конструкции является наличие трубки, связывающей колонну насосно-компрессорных труб с верхом воспламеняющего устройства, расположенного в нижней части зарядного устройства, с основным зарядом твердого топлива. Это позволяет осуществлять как более быстрое горение заряда топлива снизу вверх, так и большую скорость нарастания давления в стволе скважины, что ведет к созданию обширной сети трещин в призабойной зоне пласта.
Устройство работает следующим образом. После спуска газогенератора на насосно-компрессорных трубах на уровень забоя путем подачи скачка давления в насосно-компрессорных трубах инициирующий импульс давления через внутреннюю трубку передается к нижнему воспламенительному устройству. Происходит разрыв верхней разрывной мембраны и сжатие поршнем газа внутри блока воспламенения. Температура и давление газа под поршнем резко возрастают, происходит воспламенение температурного промотора и разрыв нижней разрывной мембраны. Горячие газы и температурный промотор потоком газа выбрасываются на основной заряд твердого топлива и происходит горение основного заряда топлива. Давление и температура в стволе и призабойной зоне скважины резко возрастают. Происходит выплавление парафинов и тяжелых фракций нефти, образование и развитие трещин в призабойной зоне пласта, а также химическое взаимодействие кислых продуктов горения (НС1, HF) с горной породой. В результате этого достигается увеличение проницаемости горной породы в призабойной зоне пласта и, как следствие этого - рост производительности нефтяных скважин.
Недостатком данной конструкции газогенератора является необходимость введения внутренней трубки, усложняющей конструкцию, и недостаточная надежность срабатывания мембранно-поршневого устройства при максимальных давлениях на стадии сжатия поршнем газа (уплотнительные прокладки на поршне могут пропускать газ, либо сам поршень силами противодавления может быть отброшен в противоположную сторону).
Известно также устройство (газогенератор), обеспечивающее термо-, газохимическое воздействие на призабойную зону пласта в ходе обработки нефтяных и газоконденсатных скважин (Кольцова Э.М., Глебов М.Б., Женса А.В., Лазарев В.М., Газогенератор для повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин. Патент РФ №2363840 С1, МПК Е21В 43/263 (2006/01). Опубликовано: 10.08.2009 г. БИ №22), которое выбрано в качестве прототипа. Генератор содержит последовательно соединенные воспламеняющий блок и блок с основным зарядом твердого топлива. Воспламеняющий блок представляет собой цилиндр, в верхней и нижней частях которого располагаются герметизирующие узлы с возможностью их срезания по достижении заданного давления. В качестве герметизирующих узлов используются разрывные мембраны со специально выполненной насечкой. Крепление мембран в корпусе воспламеняющего блока осуществляется с помощью резьбовых упоров. Внутри цилиндрического корпуса блока воспламенения в его верхней части находится поршень с уплотнительной манжетой, фиксируемый в корпусе с помощью срезаемого кольцевого бортика. В нижней части блока воспламенения над разрывной мембраной помещается температурный промотор.
Блок с основным зарядом твердого топлива представляет собой сборку цилиндрических негерметичных корпусных элементов, связанных между собой и блоком воспламенения муфтовыми соединениями. Внутри корпусных элементов размещено твердое топливо с продольными каналами для более быстрого сгорания заряда.
Газогенератор работает следующим образом.
После спуска газогенератора на насосно-компрессорных трубах до необходимой глубины подается скачок давления в насосно-компрессорных трубах, обеспечивающий срабатывание верхней разрывной мембраны блока воспламенения газогенератора. Под действием перепада давления происходит срыв поршня и сжатие газа в камере блока воспламенения. Под действием сил давления и инерции поршня сжатый газ нагревается до температур, значительно превышающих температуру химического разложения промотора. Это приводит к еще большему поднятию температуры. Давление сжатого газа превышает порог срабатывания нижней разрывной мембраны, и нагретая смесь газа и температурного промотора выбрасывается в камеру с основным зарядом твердого топлива. Высоко нагретые частицы температурного промотора, попадая на поверхность твердого топлива, воспламеняют его, инициируя горение основного заряда топлива.
Недостатком рассмотренной конструкции газогенератора (прототипа) является ненадежность воспламенения промотора и разрыва нижней разрывной мембраны из-за недостаточного уплотнения поршня прокладками и возможного смещения поршня силами противодавления в противоположную сторону. Следствием этого является недостаточная надежность воспламенения и горения основного заряда твердого топлива, что может привести к лишним неоправданным затратам при обработке скважин термо-, газохимическим методом.
Задачей изобретения является создание новой конструкции газогенератора для повышения производительности нефтяных скважин на основе использования термо-, газохимического метода с воспламенением основного заряда топлива адиабатическим сжатием газа, в которой повышена надежность воспламенения основного заряда твердого топлива.
Поставленная задача решается газогенератором для нефтяных и газоконденсатных скважин, включающим основной заряд твердого топлива, размещенный в перфорированном корпусе, воспламенительное устройство в цилиндрическом корпусе с мембранными блоками в верхней и нижней частях и зафиксированным подвижным плунжером в верхней части цилиндрического корпуса, температурный промотор, расположенный над нижним мембранным блоком. При этом в нижнюю часть цилиндра блока воспламенения дополнительно введен узел фиксации положения плунжера после сжатия газа в блоке воспламенения, включающий разрезное конусное пружинное кольцо и сердечник плунжера с конической головкой в виде выступа, а также для обеспечения большей герметичности блока воспламенения в конструкцию плунжера введены нижнее и верхнее уплотнения, размещенные между корпусом плунжера и подвижной шайбой, а также между корпусом плунжера и хвостовиком. При этом в блок воспламенения введены два промежуточных фланца, размещенных между верхним фланцем и мембранным блоком, а также между нижним фланцем и мембранным блоком, обеспечивающих съем и герметичный монтаж мембранных узлов. Кроме того, герметизация блока воспламенения осуществляется стяжными болтами, а нижнее со стороны плунжера мембранное зажимное кольцо имеет диаметр отверстия меньший диаметра плунжера, что необходимо для остановки движения плунжера, и при этом температурный промотор размещен в нижнем зажимном кольце.
В качестве рабочего тела в блоке воспламенения может использоваться как химически устойчивый при нагревании газ, так и газ, разлагаемый при нагревании с увеличением объема (например, аммиак).
Температурный промотор в предлагаемой конструкции размещается в нижней части блока воспламенения над нижней мембраной.
Применение предлагаемой конструкции газогенератора для обработки нефтяных скважин позволит в силу создания более высокого давления и температуры в блоке воспламенения существенно снизить риск невоспламенения основного заряда твердого топлива температурным промотором и повысить надежность работы газогенератора. При этом за счет образования сети трещин в призабойной зоне скважины, выплавления смолистых и парафиновых углеводородов, химического взаимодействия кислых продуктов горения с горной породой увеличивается производительность нефтяных скважин.
Эффект повышения надежности работы газогенератора достигается размещением в нижней части блока воспламенения конусной разрезной пружинной шайбы с внутренним диаметром, меньшим внутреннего диаметра корпуса блока воспламенения, а на сердечнике плунжера - кольцевого конического выступа с наибольшим внешним диаметром, превосходящим внутренний диаметр шайбы, но меньшим внутреннего диаметра корпуса блока воспламенения. Кроме того, для лучшей герметизации зоны сжатия газа поршень снабжен двумя самоуплотняющимися прокладками. Следствием этого будут более высокие значения давления и температуры в зоне сжатия, гарантированный разрыв нижней мембраны блока воспламенения и более надежное воспламенение основного заряда твердого топлива.
На Фиг. 1, 2, 3, 4 изображено устройство предлагаемой конструкции газогенератора.
Блок воспламенения газогенератора (Фиг. 1) состоит из цилиндра 1, верхнего входного фланца 5, нижнего выходного фланца 8, верхнего промежуточного фланца 6, нижнего промежуточного фланца 7, разрезного пружинного кольца 2, расположенного между нижним концом цилиндра 1 и нижним промежуточным фланцем 7. В верхней части блока воспламенения под верхним мембранным блоком 10 зафиксирован сборный плунжер 12. Верхний 10 и нижний И мембранные блоки стягиваются болтами 3 через шайбы 9. Верхний фланец на цилиндре 14 и нижний фланец на цилиндре 15 крепятся к цилиндру 1 резьбовым и сварочным соединением. Верхний и нижний мембранные блоки 10, 11, верхний входной фланец 5 и нижний выходной фланец 8, верхний фланец на цилиндре 14, нижний фланец на цилиндре 15 стягиваются через шайбы 9 болтами 3. Сердечник 13 сборного плунжера 12 имеет коническую головку с выступом, позволяющую осуществлять зацепление с разрезным пружинным кольцом 2. Герметичность блока воспламенения обеспечивается установкой прокладок 4.
В нижней части блока воспламенения над герметизирующей разрывной мембраной мембранного блока 11 помещается температурный промотор (например, бихромат аммония и др.) - вещество, обеспечивающее надежное воспламенение основного заряда твердого топлива. Внутри цилиндрического корпуса 1 блока воспламенения между температурным промотором и плунжером 12 находится газ (например, воздух или другой газ), сжимаемый плунжером 12 до высокой температуры и давления при срабатывании блока воспламенения.
Сборный плунжер (Фиг. 2) состоит из четырех частей, связанных между собой резьбовыми соединениями через прокладки. Плунжер включает сердечник 16 с коническим выступом, подвижную шайбу 17, корпус плунжера 18, хвостовик 19, герметизирующие самоуплотняющиеся при давлении на сердечник 16 нижнее и верхнее уплотнения 20, 21.
Верхний и нижний мембранные блоки (Фиг. 3.) имеют одинаковую конструкцию и различаются величиной давления, на которое рассчитаны мембраны. В состав мембранного блока входят: два прижимных кольца 22, выполняющих функцию фиксации мембраны, мембрана разрывная 23, монтажная планка 24 и винты 25, необходимые при монтаже мембранного блока в конструкции газогенератора.
Зарядный блок газогенератора (Фиг. 4) представляет собой негерметичный цилиндрический корпус 30, внутри которого находятся контактирующие друг с другом твердотопливные шашки 28, 29 различной геометрии и с различной скоростью горения. Соединение зарядного блока с блоком воспламенения осуществляется с помощью переходника 26 резьбовым соединением. Основной заряд топлива присоединяется к переходнику с помощью накидной гайки 27 резьбовым соединением.
Газогенератор работает следующим образом.
Газогенератор монтируют на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб и спускают на заданную глубину скважины. Производятся операции по подготовке скважины к обработке. С устья скважины создается скачок давления в насосно-компрессорных трубах, приводящий к срабатыванию верхней разрывной мембраны блока воспламенения газогенератора. Под действием возникающего перепада давления (давление, поданное с устья скважины плюс гидростатическое давление столба жидкости над плунжером) плунжер начинает ускоренное движение и сжимает газ между плунжером и промотором над нижней разрывной мембраной. Под действием силы давления плунжер сжимает газ до давлений и температур, значительно превосходящих температуру химического разложения промотора. Коническая головка с выступом 13 сердечника плунжера заходит за пружинное кольцо 2 (Фиг. 1) и жестко фиксирует положение плунжера. Под действием высокой температуры происходит разложение температурного промотора с выделением большого количества образующихся газов. Давление под плунжером еще больше возрастает. Однако фиксирующее пружинное кольцо 2 и коническая головка плунжера 13 (Фиг. 1) упираются друг в друга и не позволяют двигаться плунжеру в обратную сторону. Избыточное давление под плунжером воздействует на самоуплотняющиеся прокладки, которые не позволяют газу просочиться через плунжер. Давление под плунжером вследствие химического разложения промотора еще больше возрастает до величин, превышающих предел прочности нижней разрывной мембраны мембранного блока 11 (Фиг. 1) и происходит ее разрыв. Высоко нагретые газы вместе с частицами горящего промотора под действием избыточного давления выбрасываются на поверхность твердотопливной шашки 28 (Фиг. 4) и происходит ее воспламенение. Горение твердотопливных шашек передается контактирующему с ним основному заряду твердого топлива 29 (Фиг. 4). За счет подбора вида топлива и его геометрии горение происходит с пиковым возрастанием скорости и давления, что обуславливает циклический режим обработки скважины.
2
2
При горении основного заряда твердого топлива выделяются высоконагретые газы (N, HCl, HF, Н, и др.), которые вместе с парами жидкой среды скважины под большим давлением через перфорационные отверстия распространяются в призабойную зону скважины, прогревая ее, образуя трещины, расплавляя асфальтены, парафины в порах и химически взаимодействуя с карбонатными частицами с образованием растворимых соединений.
С целью подтверждения повышения надежности работы предлагаемой конструкции газогенератора по сравнению с прототипом была проведена экспериментальная и расчетная проверка работы узлов предлагаемой конструкции газогенератора.
Пример 1. Для проверки работоспособности блока воспламенения прототипа газогенератора был создан лабораторный образец газогенератора с уменьшенным зарядным блоком. Внутренний диаметр камеры адиабатического сжатия составлял 30 мм, длина зоны сжатия газа - 800 мм. Плунжер изготавливался из алюминиевого сплава и его масса составляла 200 г.
В экспериментах проверялась возможность сжатия воздуха до высоких давлений с помощью уплотняющих колец, расположенных на плунжере с варьированием формы сечения колец (круглая, овальная, трапециидальная) и материала колец (резиновые, полимерные). Для этого смонтированный лабораторный газогенератор устанавливался на испытательный стенд высокого давления и на вход блока воспламенения газогенератора компрессором подавалось давление, имитирующее давление в насосно-компрессорных трубах. Подаваемое давление фиксировалось во времени тензометрическим датчиком давления Карат ДИ и аналого-цифровым преобразователем сигнала АЦП B-480G от датчика давления на компьютер с установленным программным обеспечением Power Graph 3.3 Pro для обработки сигналов с датчика давления и графического отображения сигнала во времени. По достижении заданного давления срабатывала (разрывалась) верхняя мембрана и плунжер сжимал воздух, находящийся под ним. При этом, в части случаев сжатый плунжером воздух разрывал нижнюю мембрану, но в других случаях разрыва нижней мембраны не происходило. Причину этого удалось выяснить по распределению остатков сгоревшего температурного промотора (бихромата аммония) выше и ниже сжимающего воздух плунжера (эти остатки имеют ярко выраженный зеленый цвет).
Оказалось, что в случаях, когда нижняя мембрана не срабатывала, остатки сгоревшего бихромата аммония распределялись по всей длине блока воспламенения (как после, так и до плунжера), что говорит о негерметичности уплотнительных колец. Указанное явление наблюдалось в случаях всех форм уплотнительных колец и материала изготовления Причина этого заключается в недостаточном сопротивлении уплотнительных колец продольной составляющей сил давления сжатого воздуха в области высоких давлений. Для решения этой проблемы в конструкции прототипа нами предложено в патентуемой конструкции использовать самоуплотняющиеся уплотнительные кольца. Кольца находятся в замкнутом объеме и с ростом давления усиливают герметизацию объема под плунжером.
Пример 2. Проводились опыты с конструкцией прототипа газогенератора, описанной в примере 1. В опытах использовались нижние мембраны, рассчитанные на высокие давления (более 400 атм). Наблюдали, что во многих опытах разрыва нижней мембраны не происходило. В то же время, разборка конструкции блока воспламенения газогенератора после экспериментов показала, что плунжер блока находился на значительном расстоянии (десятки сантиметров) от нижней мембраны, что говорит о том, что он был отброшен в противоположном направлении противодавлением, возникающем под плунжером. Такое дополнительное противодавление возникает при горении температурного промотора с выделением газообразных продуктов. Например, при разложении твердого бихромата аммония дополнительно выделяются газообразный азот и парообразная вода:
4
2
2
7
2
3
2
2
(NH)CrO=CrO+N+4HO
Возникающее дополнительное давление под плунжером в результате горения промотора смещает плунжер в конструкции прототипа в противоположном направлении, температура падает, и горение прерывается.
Для исключения такого развития событий в конструкции прототипа нами предложено установить в блоке воспламенения устройство фиксации плунжера в положении максимального сжатия воздуха. Это позволит дополнительно возникшее давление при разложении промотора использовать для разрыва нижней мембраны и повысить надежность работы газогенератора путем снижения риска невоспламенения основного заряда твердого топлива.
Пример 3. С целью оценки влияния разложения промотора при адиабатическом сжатии газа в блоке воспламенения на создаваемые в блоке давление и температуру были проведены два расчета: адиабатическое сжатие газа без разложения промотора (случай а) и адиабатическое сжатие газа с разложением промотора (случай б). Рассмотрим оба случая, а) Первоначально рассчитывались давление и температура воздуха при его адиабатическом сжатии в конструкции газогенератора, указанном в примере 1 (прототип), без промотора.
1
Объем зоны сжатия воздуха V в газогенераторе составляет:
1
где d- диаметр канала сжатия газа, см; L - длина канала сжатия газа, см.
2
Объем газа V после адиабатического сжатия равен объему цилиндрического углубления над нижней мембраной и составляет:
2
где d - диаметр цилиндрического углубления над нижней мембраной, см;
2
L - длина цилиндрического углубления над нижней мембраной, см.
Адиабатическое сжатие идеального газа подчиняется уравнению Пуассона, т.е.
1
2
где γ - показатель адиабаты (для воздуха γ=1,4); Р, Р соответствуют давлению газа до и после сжатия.
2
Если сжимаемый газ - воздух, находящийся первоначально при атмосферном давлении в объеме V], то при сжатии его до объема V его давление составит:
2
1
Соответственно, его температура Т после сжатия будет равна (при начальной температуре T=298,15 K).
б) Далее рассматривался случай адиабатического сжатия, в ходе которого происходит разложение температурного промотора. Конструкция газогенератора соответствует примеру 1. Температурный промотор (диспергированное смесевое твердое топливо) находится в цилиндрическом углублении диаметром 2,5 см и высотой 1,2 см над нижней мембраной. Доля свободного объема ϕ в промоторе примерно составляет ϕ=0,4. Масса m температурного промотора в цилиндрическом углублении составляет
2
m=(1-ϕ)ρV=6,01 г,
3
3
2
где плотность температурного промотора ρ составляет 1,7 г/см, а объем цилиндрического углубления V равен 5,89 см.
При сжигании 1 г смесевого твердого топлива в среднем образуется в нормальных условиях 0,85 л газов. Таким образом, при сжигании 6,01 г смесевого твердого топлива в нормальных условиях выделится 5,11 л газов. С учетом же воздуха в блоке воспламенения до сжатия (0,566 нормальных литра) общий объем сжимаемых газов составит 5,676 нормальных литра.
2
2
3
При сжатии всего объема образующихся газов до объема V=5,89 см в соответствии с адиабатой Пуассона максимальное давление Р вырастет до следующей величины:
2
Соответственно, максимальная температура Т в зоне сжатия составит:
Из приведенных расчетов очевиден большой вклад температурного промотора в достижении максимальных давлений и температур в зоне сжатия газа газогенератора.
Конечно, максимальные давление и температура достигаться не будут, так как раньше сработает нижняя разрывная мембрана. Тем не менее, из расчетов следует, что потенциальный запас у заявляемой конструкции блока воспламенения благодаря фиксации положения плунжера в состоянии сжатия газов значителен.
Пример 4. Исследование срабатывания разрывных мембран в блоке воспламенения.
На основе лабораторного газогенератора, приведенного в примере 1, проводилось изучение формы раскрытия разрывных мембран при их срабатывании. Форма раскрытия мембраны во многом определяет насколько полно попадет температурный промотор на поверхность основного заряда твердого топлива и, следовательно, надежность воспламенения. Наиболее целесообразным является центральное раскрытие мембраны («раскрытие цветка») когда практически весь температурный промотор попадет на поверхность основного заряда твердого топлива.
Эксперименты проводили на мембранах из латуни и нержавеющей стали. Варьировали диаметр мембран (от 20 мм до 30 мм) и толщину мембран (от 0,15 мм до 0,4 мм). Фиксировали форму разрыва мембраны и давление срабатывания. Во всех экспериментах наблюдалось центральное раскрытие мембран, что соответствует их задаче. На Фиг. 5, 6 показаны фотографии типичной формы мембран после их срабатывания.
Вывод по результатам примеров 1-4.
Предлагаемая конструкция газогенератора обеспечивает по сравнению с прототипом более высокую надежность работы за счет использования узла фиксации плунжера в предельном положении сжатия газов, введения в конструкцию сборного плунжера герметизирующих уплотнений и введения в конструкцию температурного промотора, обеспечивающего воспламенение основного заряда твердого топлива.
Литература
1. Кольцова Э.М., Глебов М.Б., Лазарев В.М., Женса А.В. Газогенератор для нефтяных и газовых скважин. Патент РФ №2456443 C1, МПК Е21В 43/263 (2006/01). Опубликовано: 20.07.2012 г. БИ №20.
2. Кольцова Э.М., Глебов М.Б., Женса А.В., Лазарев В.М., Газогенератор для повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин. Патент РФ №2363840 С1, МПК Е21В 43/263 (2006/01). Опубликовано: 10.08.2009 г. БИ №22.