ЗАРЯД ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА

Полезная модель относится к средствам для добычи нефти. 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 - гидроразрыв пласта. Под воздействием давления жидкости и газа, равного или превышающего горное, 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 №№6082450, 6336506, 6732799, 7621332, 7353866, 7748457, CN №№2630492, 2630493, 101004133, 101358519, 101737027, 101737028, 201568038.
Известно устройство для перфорации буровых скважин, которое содержит заряды в герметичных оболочках с хвостовиками, корпус, образованный рядом последовательно установленных секций, плоские грани которых смещены под углом относительно его продольной оси и в каждой из плоских граней выполнено отверстие под хвостовик заряда, установленного перпендикулярно соответствующей плоской грани, средства детонации, управляемые электрически и соединенные зарядами для их поджига (SU 1195915).
Известное устройство обеспечивает угловую ориентацию кумулятивных зарядов в поперечном сечении скважины ограничено, т.е. два заряда на плоской грани корпуса располагаются только в радиально противоположных направлениях, а соседняя пара зарядов расположена только перпендикулярно предыдущей. При этом нарушена общая плотность перфорации, т.е. заряды вдоль корпуса расположены с разным шагом (на разном расстоянии). Расстояние между двумя зарядами, расположенными на общей плоской грани, корпуса минимально, а последующий заряд, расположенный на последующей плоской грани корпуса, находится с большим шагом из-за конструктивного изгиба корпуса. К основным недостаткам устройства можно отнести сложность конструкции, недостаточную жесткость крепления зарядов и невозможность повторного применения как показывает практика из-за значительной деформации корпуса после срабатывания.
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, от которых возгораются основные пороховые секции, 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, изготовленную из материала, позволяющего сохранять целостность при воздействии механических и тепловых нагрузок при спуско-подъеме заряда и при его горении, 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 при горении 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, диаметр муфт превышает диаметр пороховых секций заряда и имеющих полый канал, проходящий внутри муфт вдоль их центральной оси, 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 наиболее близкий к заявляемому заряд бескорпусный секционный для воздействия на пласт, включающий узел воспламенения, секции заряда, изготовленные из составов, обеспечивающих горение в водной, водонефтяной и кислотной средах, с одной или несколькими воспламенительными секциями для возгорания основных секций, оснастку с деталями для сбора секций заряда, пропущенных через центральный канал каждой секции, и детали, обеспечивающие стягивание секций вплотную друг к другу, оснастка представляет собой составную штангу, пропущенную через центральный канал каждой секции, к обоим концам которой присоединены конусы-центраторы обтекаемой формы для стягивания и поджатия секций заряда вплотную друг к другу, диаметр конусов-центраторов превышает 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, причем сумма проходных отверстий рассеивателя рассчитана таким образом, чтобы обеспечить минимальную нагрузку на штангу и обеспечить максимальное воздействие на пласт, между верхним конусом и секциями заряда установлена пружина для упругого поджатия секций и компенсации линейного расширения заряда при высоких температурах в скважине, секции заряда не имеют защитного покрытия, для осуществления горения по всей его поверхности, конфигурация центрального канала имеет форму с развитой поверхностью горения для обеспечения заданного времени горения и давления для гидроразрыва пласта. Для регистрации параметров давления, температуры, времени горения заряда и привязки по глубине места установки прибора в скважине на кабеле закреплен измерительный блок. Наземный пульт включает систему для защиты заряда от несанкционированного инициирования на земной поверхности и блокирования поджига заряда при атмосферном давлении (RU №2178072, прототип).
Недостатками известных устройств являются следующие. Так как на нижнем конусе заряда установлен рассеиватель, при возникновении динамических нагрузок и в процессе сгорания секций заряда возможен отрыв рассеивателя от нижнего конуса и прорыв продуктов сгорания в скважину минуя штатные отверстия рассеивателя. Это снижает механическое воздействие на пласт и создает разрушающее воздействие на окружающие поверхности насосно-компрессорной трубы (НКТ) или на стенки скважины
При этом возможно торможение восходящих потоков и концентрация тепла раскаленных газов, что ведет к локальному перегреву в зонах торможения. При срабатывании секций заряда происходит подбрасывание прибора вверх. После этого начинается падение прибора вниз с ускорением и набор им скорости с последующим резким торможением за счет натяжения кабеля, потенциальная энергия поднятого газами прибора направлена на обрывание кабеля. При этом вероятность обрыва перегретого кабеля велика даже при незначительных ударных нагрузках.
Таким образом, в известных конструкциях имеются существенные предпосылки повышенной аварийности, связанной с выходом из строя каротажного кабеля и его обрывом, перегревом кабельного наконечника, приборного наголовника, перегревом и выходом из строя измерительного блока.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного заряда для воздействия на пласт и расширение арсенала зарядов для воздействия на пласт.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи заключается в повышении надежности за счет исключения резкого подбрасывания горящего заряда и силового воздействия на кабель, исключения рассеивателя, как отдельной детали (имеющей возможность отрыва от нижнего конуса), а также за счет уменьшения разрушающего воздействия на насосно-компрессорную трубу (НКТ) или на стенки скважины.
Сущность полезной модели заключается в том, что заряд для воздействия на пласт 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 установлена с зазором упомянутая штанга, на концах которой установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы, а между секциями заряда - воспламенитель, соединенный с проводом питания и размещенный с возможностью воспламенения топлива зарядов по поверхности осевого канала, и 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.
Предпочтительно заряд снабжен удлинительной штангой, соединенной с верхним конусом и снабженной кабельным наконечником для соединения провода питания воспламенителя с геофизическим кабелем, удлинительная штанга выполнена составной, заряд снабжен измерительным блоком, а нижний конус выполнен со сквозным центральным каналом для несущей штанги, на нижнем конце которой установлен автономный измерительный блок, а измерительный блок выполнен с датчиками давления, температуры, виброакустических параметров. При этом верхний конус выполнен с отверстиями в виде продольных пазов.
В частных случаях реализации верхний конус может быть оперт на секцию заряда через дополнительно установленную пружину, а центрирующие кольца выполнены коническими.
В частных случаях реализации верхний конус может быть установлен на несущей штанге с зазором и выполнен полым с отверстиями в виде боковых окон и продольных пазов, а центрирующие кольца выполнены цилиндрическими с коническими фасками по торцам.
На чертеже фиг.1 изображена конструктивная схема заряда ЗГРП 01-1 для воздействия (гидроразрыва) на пласт в варианте исполнения с пружиной, на фиг.2 - конструктивная схема заряда ЗГРП 01-1.1 для воздействия (гидроразрыва) на пласт в варианте исполнения без пружины, на фиг.3 - конструктивная схема заряда ЗГРП 01-1.1 после срабатывания, на фиг.4 - обсадная колонна с НКТ и пакером..
Предлагается бескорпусный секционный заряд (ЗГРП) для воздействия на пласт путем его гидроразрыва, имеющий две модификации:
- ЗГРП 01-1 - первая модификация, предназначенная для обработки скважин с демонтированной насосно-компрессорной трубой (НКТ);
- ЗГРП 01-1.1 - вторая модификация, предназначенная для обработки скважин без демонтажа НКТ.
Заряд для воздействия (т.е. гидроразрыва) 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 баллистиного 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. Использование составной штанги 5-7 позволяет собирать заряд из разного количества секций 3, изменяя количество секций промежуточных штанг 6, и упростить доставку оборудования на скважину.
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 или НКТ. Между секциями 3 заряда, на торце одной из секций 3 (воспламенительной секции 3) в проточке 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, 26 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. Сумма проходных сечений отверстий 24-25, 26 рассчитана из условия минимальной нагрузки на штангу 5-7 и максимального воздействия на пласт.
Заряд снабжен удлинительной штангой, соединенной с верхним конусом 8 и снабженной кабельным наконечником 21 для соединения провода 18 питания 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. Провод 18 питания 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 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 ЗГРП 01-1 (предназначен, как правило, для обработки скважин с поднятым подземным оборудованием - без НКТ) 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, при этом верхний конус 8 оперт на верхнюю секцию 3 заряда через дополнительно установленную пружину 14 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. Нижний конус 2 снабжен изолирующей прокладкой 15. Центрирующие кольца 4 этого заряда выполнены, например, с двух сторон коническими.
Заряд ЗГРП 01-1.1 (предназначен, как правило, для обработки скважин без демонтажа НКТ) по фиг.2, 3 имеет верхний конус 2 установленный на несущей штанге 7 верхней (части несущей штанги 5-7), с зазором (на свободной посадке) и выполнен полым (по меньшей мере, частично) со стороны секций 3, с отверстиями в виде радиальных боковых окон 26 и внутренних продольных пазов 25. Центрирующие кольца этого заряда выполнены, например, цилиндрическими, с коническими фасками по торцам.
Заряд для воздействия на пласт (гидроразрыва пласта) работает следующим образом.
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. При температуре разогрева спирали, 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 задавливаются 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 (СО, СO, N, Сl) снижают вязкость и поверхностное натяжение нефти на контактах с горной породой за счет растворения в ней СО, 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 24-26 попадают в скважину (обсадную колонну). 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.
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.
При работе заряда, выполненного согласно фиг.2, верхний конус 8, устанавленный на свободной посадке, после сгорания секций 3 заряда опускается на нижний конус 2, образуя элемент овальной формы, что исключает зацепление о край НКТ при подъеме оснастки после сгорания секций заряда (фиг.3). Конструкция подземного оборудования, которая используется в нагнетательных скважинах - обсадная колонна с НКТ и пакером (фиг.4). Максимальный диаметр конуса 2, 8 заряда выполняется обеспечивающим безаварийное прохождение через НКТ.
Таким образом, предлагаемый заряд позволяет осуществить гидравлическое воздействие с разрывом пласта, не нарушая целостности НКТ и цементного камня. Применение предлагаемой оснастки заряда обеспечивает прочность заряда при механических и температурных нагрузках. Кроме того, оснастка не остается в скважине и может использоваться повторно. Использование удлинительной штанги снижает воздействие турбулентного потока и снижает вероятность перехлеста кабеля. Применение секций заряда не покрытых защитным слоем позволяет заряду возгораться со всех сторон - с торцевой, наружной и внутренней, что сокращает время его сгорания. Обработка скважин с НКТ с помощью заявляемого заряда позволяет не поднимать подземное оборудование (кроме насоса) перед осуществления воздействия и, следовательно, вновь опускать это оборудование после осуществления воздействия, что сокращает время обработки скважины и затраты на обработку. Конфигурация центрального канала имеет форму с развитой поверхностью горения, что обеспечивает заданное время горения и давление, необходимое для гидроразрыва пласта.
В результате создан эффективный заряд для воздействия на пласт и расширен арсенал зарядов для воздействия на пласт.
При этом обеспечено повышение надежности за счет исключения резкого подбрасывания горящего заряда и силового воздействия на кабель, благодаря исключению из состава деталей рассеивателя, как отдельной детали (имеющей возможность отрыва от нижнего конуса), а также за счет уменьшения разрушающего воздействия на насосно-компрессорную трубу (НКТ) или на стенки скважины.