ЗАРЯД ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА

Полезная модель относится к средствам для добычи нефти, предназначена для воздействия на призабойную зону эксплуатационных, нефтяных, газовых, разведочных и нагнетательных скважин с целью газодинамического разрыва пласта, в результате которого увеличивается приток нефти в скважину.
Известен заряд бескорпусный секционный для воздействия на пласт (патент RU №2178072, МПК Е21В 43/263, опуб. 10.01.2002 г), включающий 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 штанги установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы-центраторы, а между секциями заряда - воспламенитель, соединенный с проводом питания и размещенный с возможностью воспламенения топлива зарядов, и центрирующие кольца, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций.
В данном устройстве 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. Причем между верхним конусом и секциями заряда установлена пружина для упругого поджатая секций и компенсации линейного расширения заряда при высоких температурах в скважине. 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. Известное устройство дает возможность осуществления воздействия на пласт с его разрывом без нарушения целостности обсадной колонны и цементного камня.
Однако недостатком известного устройства является недостаточная надежность работы. Так как на нижнем конусе заряда установлен рассеиватель, как отдельная деталь, то 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.
Известен наиболее близкий к заявляемому и взятый за прототип заряд для гидроразрыва пласта [патент на полезную модель РФ №106 305, МПК Е21В 43/263, опуб. 10.07.2011 г, бюл. №19], решающий недостатки вышеприведенного аналога, который 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, между секциями заряда установлен воспламенитель, соединенный с проводом питания и размещенный с возможностью воспламенения топлива зарядов, также между секциями зарядов размещены центрирующие кольца, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций, на концах штанги установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы-центраторы, выполненные с отверстиями для прохода продуктов сгорания. В данном заряде нижний конус выполнен с отверстиями в виде боковых окон, выполняющих роль рассеивателя, который для повышения надежности работы в отличие от вышеприведенного аналога исключен из оснастки.
Однако наличие боковых окон у нижнего конуса-центратора способствуют выходу газов через них, но не противодействуют вращательному движению сборки при ее подъеме пороховыми газами вверх и при падении под действием силы тяжести вниз, что снижает надежность работы устройства. В случае описанного в прототипе варианта выполнения заряда ЗГРП 01-1, где верхний конус-центратор может быть выполнен с наружными продольными пазами, продольные пазы на верхнем конусе при сгорании зарядов не обеспечивают истечение всего потока жидкости по пазам вдоль конуса при гидроразрыве пласта, поскольку ширина паза много меньше ширины ребра. Поэтому ребра создают препятствие потоку жидкости, и движение жидкости стопорится на торцах ребер, что также способствует вращению устройства при движении в скважине вместе со столбом жидкости вверх и вниз.
Таким образом, в известной конструкции имеются предпосылки к повышенной аварийности, связанные с образованием петель на кабеле при подбрасывании сборки вверх и ее вращательном движении в потоке жидкости, и последующем попадании кабеля между сборкой и скважиной и «застревания» сборки в скважине, создании аварии.
Задачей полезной модели является повышение надежности и безаварийности работы.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении надежности и безаварийности работы заряда за счет создания направленного движения скважинной жидкости вдоль металлической оснастки (штанги, конусы, центратор) при реверсном движении вверх под действием газов пороховых зарядов и вниз под действием силы тяжести, без вращения сборки на кабеле.
Технический результат достигается за счет того, что заряд для гидроразрыва пласта, 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 установлена с зазором упомянутая штанга, между секциями заряда установлен воспламенитель, соединенный с проводом питания и размещенный с возможностью воспламенения топлива зарядов, также между секциями зарядов размещены центрирующие кольца, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций, на концах штанги установлены стягивающие группу секций заряда верхний и нижний конусы-центраторы, выполненные с отверстиями для прохода продуктов сгорания, согласно полезной модели каждый конус выполнен составным из соединенных между собой двух частей, при этом одна часть со стороны секций зарядов выполнена с отверстиями в виде боковых окон, а другая часть имеет наружные продольные пазы, образующие ребра, суммарная площадь поперечного сечения которых меньше суммарной площади сечений пазов.
Выполнение каждого конуса составным из соединенных между собой двух частей, при этом одна часть со стороны секций зарядов выполнена с отверстиями в виде боковых окон, а другая часть имеет наружные продольные пазы, образующие ребра, суммарная площадь поперечного сечения которых меньше суммарной площади сечений пазов обеспечивает свободное течение скважинной жидкости вверх под действием газов и вниз под действием силы тяжести вдоль металлической оснастки без вращающего момента, а значит без закручивания кабеля и без образования петель, чем и обеспечивается надежность и безаварийность выполнения работ.
Наличие у обоих конусов частей с боковыми отверстиями, выполняющими роль рассеивателя, позволяет увеличить отвод газового потока, образующегося при горении заряда, тем самым обеспечить максимальное воздействие на пласт.
Сборка конусов из соединенных составных частей обеспечивает целостность конструкции при механических и температурных нагрузках в процессе горения заряда и его спуске в скважину.
Также ребра могут иметь в поперечном сечении форму прямоугольника или треугольника или трапеции.
Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующей условию «новизна».
Полезная модель иллюстрируется чертежами: на фиг. 1 показан общий вид заряда для гидроразрыва пласта; на фиг. 2 - сечение А-А оребренной части нижнего конуса-центратора; на фиг. 3 - сечение В-В оребренной части верхнего конуса-центратора.
Устройство выполнено следующим образом.
Заряд для гидроразрыва пласта (фиг. 1) содержит размещенную вдоль составной несущей штанги 1 бескорпусную группу секций заряда 2 из твердого топлива, пригодного для горения в жидкой среде, выполненных с осевым каналом, в котором установлена с зазором упомянутая штанга 1. Осевой канал имеет развитую поверхность. Использование составной штанги 1 (составленной из нескольких элементов) позволяет собирать заряд из разного количества секций и упростить доставку штанги на скважину. Между секциями заряда 2 установлен воспламенитель 3, соединенный с проводом питания и размещенный с возможностью воспламенения топлива зарядов 2. Между секциями зарядов 2 также размещены центрирующие кольца 4, выполненные с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр этих секций 2. Кольца изготовлены таким образом, чтобы не менялась динамика горения заряда. На концах штанги 1 установлены стягивающие группу секций заряда 2 верхний 5 и нижний 6 конусы-центраторы. Диаметр конусов 5, 6 превышает диаметр секций заряда 2, позволяя предохранить заряд от трения и ударов о колонну. Оба конуса 5, 6 выполнены составными из соединенных между собой двух частей 7, 8. При этом часть 7 со стороны секций зарядов 2 выполнена с отверстиями 9 в виде радиальных боковых окон, а другая часть 8 имеет наружные продольные пазы 10, образующие ребра 11, суммарная площадь поперечного сечения которых меньше суммарной площади сечений пазов 10 (фиг. 2, 3). Ребра 11 могут иметь в поперечном сечении форму, например, прямоугольника или треугольника или трапеции. Боковые окна 9 служат для отвода газового потока, образующегося при горении заряда. Для возможности прохода через них электропровода от воспламенителя 3 к геофизическому кабелю 13 верхний конус 5 в оребренной части 8 выполнен с внутренними продольными отверстиями 12 (фиг. 3). К верхней части конуса 5 присоединена удлинительная составная штанга 14, служащая для уменьшения турбулентности газового потока, поднимающегося вверх, и снижения тепловой нагрузки на геофизический кабель 13, который соединен с устройством. Такая сборка обеспечивает целостность конструкции при механических и температурных нагрузках в процессе горения заряда и его спуске в скважину. Нижний конус 6 выполнен со сквозным центральным каналом для несущей штанги 1, на нижнем конце которой установлен автономный измерительный блок 15, предназначенный для регистрации параметров давления, температуры, времени горения заряда.
Устройство работает следующим образом.
2
2
2
Заряд гидроразрыва пласта модульный (ЗГРПМ) опускают в интервал перфорации скважины. После подачи напряжения через геофизический кабель 13 типа КГ 1-55-90 на воспламенитель 3, от него возгораются примыкающие основные секции заряда 2, которые сгорают с выделением большого количества пороховых газов (~900 л/кг). Горение происходит по всей поверхности секций 2 заряда - наружной, торцевой и внутренней, т.к. конфигурация центрального канала секций 2 имеет форму с развитой поверхностью горения, что обеспечивает заданное время горения и давление, необходимое для гидроразрыва пласта. При этом горение порохового заряда в скважине, заполненной жидкостью, сопровождается резким повышением давления и температуры. Образующиеся при горении секций 2 продукты сгорания - газы (СО, СО, N, Cl) создают импульс высокого давления в скважине, порядка 300÷1000 атм, который воздействует на пласт через отверстия перфорации в обсадной колонне. При этом газы образуют газовый пузырь в скважине, который начинает расширяться и поднимает вверх по скважине столб воды, который поднявшись до высоты 50-200 м, в зависимости от количества зарядов, падает обратно. Этот процесс повторяется многократно. В результате знакопеременного высокоскоростного движения потока газо-насыщенной жидкости в скважине прибор и кабель подвергаются воздействию этого потока, витки стальной проволоки броневой оплетки кабеля 13 раскручиваются, приводя во вращение прибор и совершая сложные движения (вращение и перемещение) в скважине. Вследствие чего могут образовываться петли кабеля 13, которые при попадании между прибором и стенкой трубы могут привести к заклиниванию прибора в скважине и дальнейшей аварии. Наличие у обоих конусов 5, 6 оребренной части 8 определенного размера, где суммарная площадь поперечного сечения ребер 11 меньше суммарной площади сечений пазов 10, позволяет избежать аварий вследствие исключения вращения прибора в скважине и перехлестов геофизического кабеля 13 при движении жидкости, обеспечивая свободное течение скважинной жидкости вверх под действием газов и вниз под действием силы тяжести вдоль металлической оснастки без вращающего момента, а значит без закручивания кабеля и без образования петель, нейтрализуя вращающий момент внешних сил и исключая вращение прибора в высокоскоростном потоке воды, что в конечном итоге позволяет обеспечить надежность и безаварийность выполнения работ. Контроль за работой заряда и оценку его воздействия на пласт осуществляют при помощи измерительного блока 15. После окончания работ металлические части (оснастка) с измерительным блоком 15 поднимаются из скважины и могут использоваться повторно.
На предприятии был изготовлен опытный образец, который подтвердил надежность и безаварийность работы заявляемого устройства.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
устройство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, относится к области добычи нефти;
средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, предназначено для повышения надежности и безаварийности работы;
для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию "промышленная применимость".