УСТРОЙСТВО НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СКВАЖИН И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
DEVICE OPERATING ON SOLID FUEL AND USED FOR WELL TREATMENT, AND ITS APPLICATION METHOD

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам (пороховым генераторам), предназначенным для обработки призабойной зоны пласта (ПЗП) высокотемпературными газами, выделяющимися при сгорании твердых топливных элементов (ТТЭ). В качестве ТТЭ в большинстве случаев используют баллиститные пороха.
Генераторы (другое название газогенераторы) используют для увеличения добычи углеводородов в загрязненных асфальтовыми смолистыми и парафиновыми отложениями скважинах, а также после некачественно проведенной перфорации. ТТЭ генераторов скрепляют в одну гирлянду специальной оснасткой, на кабеле опускают в интервал обработки продуктивного пласта, воспламеняют подачей тока по кабелю и сжиганием.
Известно устройство для воздействия на пласт давлением продуктов сгорания твердого топлива [1]. Его небронированные ТТЭ с высокой начальной поверхностью горения и малой толщиной горящего свода имеют щели в ТТЭ или многотрубчатые блочные элементы из смесевого топлива.
Известен генератор с детонационной системой инициирования трубчатых ТТЭ [2]. ТТЭ имеют покрытие по боковой поверхности и тонкостенную металлическую трубку в центральном канале. По всей длине трубки проложен детонирующий шнур, соединенный с герметичным взрывным патроном.
Известно устройство [3] с одной или несколькими группами воспламенительных ТТЭ. Над ними или между ними располагают ТТЭ с толстостенной металлической трубкой в канале.
Известны способ обработки призабойной зоны пласта и устройство для его осуществления [4]. Способ задает характеристики импульсов давления при создании избыточного давления в скважине от горения ТТЭ. Устройство содержит пороховые элементы, установленные на опорных трубках со сложной системой воспламенения в них.
Известен бескорпусной секционный заряд для газодинамического воздействия на пласт [5]. Это устройство включает узел воспламенения, пороховые секции и оснастку из деталей для их сбора. Оснастка проходит через центральный канал каждой пороховой секции и имеет детали для стягивания пороховых секций вплотную друг к другу.
Все перечисленные устройства имеют громоздкую оснастку, проходящую по оси ТТЭ, а также сложную систему воспламенения. После сжигания ТТЭ часть оснастки остается в скважине. Дополнительным недостатком устройства [5], кроме сложности и большой массы оснастки, является и относительно небольшая масса топлива.
Известен газогенератор с регулируемым импульсом давления для скважин, имеющий трубчатые бронированные ТТЭ и грузонесущий геофизический кабель с элементами крепления конструкции [6].
Количество небронированных и бронированных трубчатых ТТЭ определяют по формулам с учетом характеристик топлив и скважин.
При горении ТТЭ возникают пульсации давления на фоне общего повышения давления в скважине. Пульсации дополнительно способствуют увеличению эффективности термогазохимической обработки ПЗП за счет разрушения стенок трещин и кольматантов знакопеременными нагрузками. Продолжительность горения ТТЭ изменяется от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды.
Недостатком газогенератора [6] является сложность его компоновки в целом. Наличие бронированных ТТЭ в данном устройстве приводит к дополнительному загрязнению скважины после их сгорания. Подбор необходимого количества бронированных и небронированных зарядов, обеспечивающего наилучший эффект, является весьма сомнительным.
Известен способ термогазохимического воздействия на пласт и твердотопливный заряд для его осуществления [7]. Несмотря на обилие подпунктов формулы изобретения ясно следующее. Способ осуществляют устройством, содержащим канальные и бесканальные ТТЭ, которые находятся в полом корпусе с воспламенителем. Нижний конец корпуса заглушен, а верхний снабжен регулятором расхода пороховых газов. Таким образом, устройство напоминает ракетный двигатель с пульсирующим истечением продуктов горения через сопло.
Из-за сложности устройства оно не будет работать и тем более не будет эффективно при многих геолого-технических условиях скважины. Например, ТТЭ в полом корпусе, горящие с торца, будут самопроизвольно затухать, как это имеет место в ракетных двигателях при увеличенных тепловых потерях. Большого давления в скважине не достигнуть. Пульсации давления без общего роста давления в скважине не принесут ожидаемого эффекта. Достоверных доказательств того, что создаваемые устройством частоты пульсаций давления являются наиболее подходящими для увеличения добычи нефти, нет.
Для изготовления генераторов могут подойти некоторые канальные ТТЭ, применяемые ранее в ракетной технике и предназначенные для утилизации. Незначительная доработка таких ТТЭ позволит наладить массовое изготовление дешевых, простых и эффективных генераторов для самых различных геолого-технических условий. Трудностей здесь много. Одна из них - заставить генераторы с утилизированными переделанными зарядами надежно функционировать при высоком давлении и температуре.
Для новых генераторов с ТТЭ различной формы и размеров нужна простая универсальная оснастка с минимальным количеством деталей и надежная система воспламенения. Этого нет у рассмотренных аналогов.
Газогенератор с цилиндрическими пороховыми трубчатыми зарядами, в том числе воспламенительным или воспламенительными, и грузонесущим тросом с элементами крепления конструкции для термогазохимической и виброволновой обработки пласта является прототипом [8]. Его ТТЭ создают избыточное давление в скважине. ТТЭ имеют разные диаметры центральных круглых каналов, а отношение длин каналов к диаметрам указанных каналов равно (20-40):1. Между зарядами или в самих зарядах имеются проходы для соединения полости канала ТТЭ с наружной поверхностью. Содержание наполнителя-стабилизатора горения в топливной массе не более 1,5%.
Недостатки устройства и способа его осуществления следующие. В данном устройстве нет ТТЭ различных наружных диаметров с другими отношениями длин каналов к их диаметрам, а также с содержанием стабилизатора в топливе более 1,5%. Это ограничивает конструктивные и эксплуатационные возможности устройства и использование утилизированных ТТЭ разных размеров и из большего количества топлив.
Кроме того, при повышенной температуре, давлении и увеличении соотношения длины канала ТТЭ к его диаметру появляется опасность разрыва заряда со стороны канала, так как газы не успевают выходить из канала. Подобные режимы горения ТТЭ с узким каналом рассмотрены и исследованы в [9]. Экспериментально полученные в этой работе данные использованы при анализе работоспособности проектируемых генераторов.
Для выталкивания пороховых газов через торцевые сечения ТТЭ внутри его канала возникает определенный перепад давлений относительно окружающей элемент среды. Этот перепад зависит от напряженно-деформированного состояния ТТЭ и определяется его геометрическими размерами.
Прочностная работоспособность канального ТТЭ, изготовленного из баллиститного пороха или смесевого твердого топлива, находящегося в скважине, обеспечивается при выполнении условия
о
b
εβ≤ε,
о
где ε - окружные деформации, имеющие место на канале ТТЭ (%),
о
ε - предельные деформации ТТЭ (%),
β - коэффициент безопасности (β=2).
Окружные деформации на канале ТТЭ определяют по формуле
где E, µ - модуль упругости и коэффициент Пуассона для заряда,
о
r - радиус канала ТТЭ,
Н
r - наружный радиус ТТЭ,
СТ
p - статическое давление в скважине, соответствующее глубине погружения и действующее на наружную боковую поверхность ТТЭ,
ок
p - давление внутри канала ТТЭ (определяют по отношению длины заряда к диаметру канала),
ОТ
ОТ
СТ
p - статическое давление на торцах ТТЭ (p=p). С ростом температуры до +90°C (максимум для применения ТТЭ в скважине) модуль упругости для баллиститного пороха уменьшается в десятки раз по сравнению с начальной температурой +20°C. При +90°C окружные деформации, например, при отношении длины канала ТТЭ к его диаметру 40:1 и наружном диаметре заряда 100 мм, при глубине скважины более трех километров возрастают в несколько раз.
Очевидно, что должны быть приняты соответствующие меры для увеличения работоспособности ТТЭ с длинными зарядами и узким каналом.
Задачей заявляемого изобретения является разработка универсального и более простого при сборке устройства на твердом топливе для увеличения добычи углеводородов в скважине, расширить геометрические параметры зарядов и марки топлив, позволяющие подобрать готовые утилизированные ТТЭ (без приготовления топливной массы). Другая задача - расширение применимости устройства с разными ТТЭ, а также повышения его надежности, в том числе при повышенных температурах и давлениях.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве на твердом топливе для обработки скважин, включающем цилиндрические пороховые трубчатые заряды, в том числе воспламенительный или воспламенительные, с разными диаметрами каналов и отношением длин каналов зарядов к диаметрам указанных каналов (20-40):1, и грузонесущий трос с элементами крепления конструкции, согласно изобретению новым является то, что устройство дополнительно включает цилиндрические пороховые трубчатые заряды меньших диаметров, которые имеют отношения длин каналов к диаметрам каналов (6-80):1 и отношения наружных диаметров зарядов меньшего и большего диаметра (0,6-0,95):1, при этом заряды разных диаметров чередуют, кроме того, у зарядов с меньшими диаметрами и отношениями длин каналов к диаметрам каналов (40-80):1 предусмотрены наружные кольцевые проточки и сквозные каналы по месту проточек, причем заряды большего диаметра имеют обоймы для предохранения их от трения в скважине, при этом на торцах чередующихся зарядов закреплены диски с кольцевыми выступами, входящими друг в друга при сборке зарядов.
Поставленная задача также решается тем, что в известном способе обработки призабойной зоны пласта с помощью устройства на твердом топливе, включающем создание избыточного давления в скважине воздействием на пласт газообразными продуктами горения цилиндрических пороховых трубчатых зарядов с разными диаметрами каналов и отношением длин каналов зарядов к указанным диаметрам (20-40):1, новым является то, что избыточное давление в скважине создают воздействием на пласт газообразными продуктами горения дополнительных цилиндрических пороховых трубчатых зарядов меньших диаметров, чередующихся с зарядами большего диаметра, при этом заряды меньшего диаметра имеют отношения длин каналов к диаметрам каналов (6-80):1 и отношения наружных диаметров зарядов меньшего и большего диаметра (0,6-0,95);1, причем при температурах +60-90°C и давлениях 20-40 мегапаскалей в скважине устранение разрывов зарядов с отношениями длин каналов к диаметрам каналов (40-80):1 на множество фрагментов с аномальным повышением давления из-за критического увеличения перепада давления в осевых каналах горящих зарядов относительно окружающей среды достигают делением этих зарядов на два отдельных фрагмента по месту кольцевых проточек при встрече фронтов горения с наружных поверхностей зарядов и с их каналов.
Устройство и способ реализуются следующим образом.
На фиг.1 показано устройство - генератор с цилиндрическими пороховыми трубчатыми ТТЭ. Оно имеет грузонесущий трос 1 по осям каналов зарядов 2 и 3 разных размеров. Эти ТТЭ имеют закрепленные на торцах диски 4 и 5 разных диаметров с концевыми выступами, входящими друг в друга. На концах зарядов 2 имеются обоймы 6, предохраняющие их от трения с последующим самопроизвольным воспламенением в скважине. Верхний заряд 2 в собранной гирлянде является воспламенительным. В него вмонтирован нагревательный элемент (например, проволочка накаливания).
Диски 4 и 5 с другими элементами оснастки - крышкой вверху, поддоном внизу и креплениями их к кабелю обеспечивают жесткость конструкции генератора в целом.
Заряд 2 имеет диаметр 100 мм и длину 600 мм, которая соответствует длине канала. Отношение длины канала к его диаметру, равному 20 мм, составляет 30:1. Диаметр 100 мм является максимальным для скважин с внутренним диаметром 124-127 мм (колонна 146 мм). Дальнейшее увеличение этого диаметра при наличии предохранительных обойм (защитных оболочек) толщиной 2-3 мм из-за узкого зазора между зарядом и внутренней поверхностью колонны приведет к затрудненному прохождению ТТЭ.
Заряд 3 имеет диаметр 60 мм и длину 84 мм, которая соответствует длине канала. Отношение длины канала к его диаметру (14 мм) составляет 6:1. Отношение наружных диаметров зарядов 3 и 2 составляет 0,6:1. Заряды 2 и 3 чередуются между собой.
Отношение меньшего и большего диаметров зарядов 0,6:1 является минимальным для данной конструкции генератора. Это объясняется следующим. Во-первых, дальнейшее уменьшение этого отношения снижает эффективность генератора из-за потери массы топлива на единицу длины генератора. Нужно увеличивать длину троса 1 для дополнительных зарядов. Во-вторых, соединение дисков (центраторов) 4 и 5 зарядов 2 и 3 из-за наличия каналов зарядов и малого наружного диаметра канала заряда 3 ограничено по размерам. Это соединение не будет надежным.
Отношение длины канала заряда 3 к его диаметру (6:1) также является наименьшим по указанным выше соображениям. Сборка генератора с такими короткими зарядами является громоздкой. Нужны дополнительные составляющие генератора.
Наружный диаметр заряда 3 можно увеличивать только от 60 мм до 95 мм. Далее увеличивать наружный диаметр заряда 3 нельзя, т.к. потребуются обоймы как у заряда 2. Таким образом, отношение диаметров зарядов 3 и 2, составляющее 0,95:1, является максимальным.
Для увеличения эффективности генератора, показанного на фиг.1, дополнительный заряд 3 должен иметь наибольшие геометрические размеры (диаметр, длину) с минимальным диаметром канала. Одновременно он не должен разрываться в процессе горения от избыточного давления газов из канала. Поэтому минимальный диаметр канала не может быть меньше 14 мм. Трос 1 не пройдет в более узкий канал. Необходимо также принять во внимание обязательное наличие кольцевого зазора между тросом и внутренней поверхностью канала ТТЭ для прохода газообразных продуктов горения.
Максимальная длина заряда 3, обеспечивающая его работоспособность при температуре +60-90°C и давлении 20-40 мегапаскалей в скважине при минимальном диаметре его канала 14 мм, должна быть 560 мм. Отношение длины канала к его диаметру в данном случае составляет 40:1. Безопасное отношение наружных диаметров заряда 3 и 2 равно (0,6-0,95):1. Чем больше диаметр ТТЭ при фиксированной длине заряда, тем безопаснее его работа.
Максимальное удлинение заряда 3 будет при отношении длины канала к минимальному его диаметру 80:1. Длина заряда в этом случае составит 1120 мм. При большей длине и диаметре заряда 60-95 мм он будет гнуться при повышении температуры. К тому же, ТТЭ малого диаметра с большой длиной трудно стыковать друг с другом при сборке. При отношениях длины канала ТТЭ к его диаметру (40-80):1 появляется опасность его разрыва в процессе горения на несколько фрагментов от распирающих из канала продуктов горения. Поэтому предложен конструктивный способ устранения разрыва.
На фиг.2 показан вариант устройства с теми же обозначениями, которые показаны на фиг.1. Отличия только в размерах и конфигурации заряда 3. В центре заряд, показанный на фиг.2, имеет наружную кольцевую проточку и сквозной канал, пересекающий ее. Отношение длины его канала к диаметру канала 14 мм равно (40-80):1, т.е. длина ТТЭ изменяется от 560 мм до 1120 мм. Именно кольцевая проточка и сквозной канал через нее предохраняют ТТЭ от разрыва при горении, связанном с критическим превышением давления в канале над наружным давлением.
Без проточки в ТТЭ при большой длине происходит его разрушение из-за распирающих изнутри газов на много отдельных фрагментов с аномальным взмывом давления от объемного горения. Деление заряда по проточке к этому не приводит. ТТЭ делится только на два отдельных фрагмента. Из-за появления новых торцевых поверхностей фрагментов с малой площадью давление в скважине почти не возрастает. Сквозной канал улучшает условия воспламенения заряда 3, т.к. способствует движению горящих газов от воспламенительного заряда 2.
Сборка устройства (фиг.1 и фиг.2) с помощью грузонесущего троса 1 происходит у устья скважины. Заряды 2 и 3 поочередно состыковывают через диски 4 и 5. Устройство опускают в заданный интервал на геофизическом кабеле. При этом обоймы 6 предохраняют заряды 2 от трения, а заряды 3 не касаются внутренней поверхности скважины. После установки устройства в нужном месте по кабелю и подсоединенным к нагревательным элементам воспламенительного заряда 2 электрическим проводам подают переменный ток 220 вольт. В конечном итоге после воспламенения зарядов 2 горение распространяется на все ТТЭ. Происходит обработка скважины.
Пример выполнения способа по устройству, показанному на фиг.1.
В скважине с внутренним диаметром скважины 127 мм нефтяной пласт находится на глубине 2,9 км. Длина интервала перфорации 5 метров. Температура в скважине +80°C. Условия в скважине должны быть нормальные для горения ТТЭ из баллиститного пороха с отношением длины канала заряда 3 к его диаметру в пределах (6-40):1.
Выбран заряд 2 с диаметром равным 100 мм. Длина канала ТТЭ - 895 мм, диаметр - 24 мм, их отношение равно 37,3:1. Заряд 3 без проточки и сквозного отверстия через нее имеет диаметр 70 мм. Длина канала составляет 500 мм, диаметр канала 17 мм, их отношение равно 29,4:1. Оно попадает в предел (6-40):1. Диаметры зарядов 3 и 2 относятся как 0,7:1.
Способ реализуют устройством (генератором), собранным из пяти зарядов 2 и четырех зарядов 3. В результате обработки получены дополнительные притоки без разрывов зарядов. Давление в скважине составляет 69 МПа.
Пример выполнения способа по устройству, показанному на фиг.2.
В скважине с внутренним диаметром скважины 127 мм нефтяной пласт находится на глубине 3,2 км. Длина интервала перфорации 4 метра. Температура в скважине составляет +85°C. Таким образом, условия в скважине близки к экстремальным для баллиститного пороха, из которого изготовлены заряды 2 и 3. При отношении длины канала заряда 3 к его диаметру (40-80):1 и отсутствии проточки он может разорваться при горении. Поэтому проточка необходима.
Используют заряд 2 с диаметром 104 мм. Длина канала ТТЭ - 895 мм, диаметр канала 24 мм, их отношение равно 37,3:1. Заряд 3 имеет диаметр 93 мм. Длина канала этого ТТЭ составляет 900 мм, диаметр 14 мм, их отношение равно 64,3:1, которое попадает в предел (40-80):1. Кольцевая проточка, изготовленная для заряда 3, имеет ширину 3 мм и глубину 10 мм. Есть также сквозное отверстие по месту проточки. Отношение диаметров зарядов 3 и 2 составляет 0,89.
Способ реализуют устройством, собранным из трех зарядов 2 и двух зарядов 3.
После воспламенения заряды 2 и 3 горят нормально по всем поверхностям. Горение по проточке тоже происходит. Она расширяется и углубляется. Прочностная работоспособность заряда 3 при возрастании избыточного давления в его канале по мере подъема общего давления и на фоне прогретого до высокой температуры заряда 3 резко уменьшается.
При давлении 45 МПа узкая перемычка между проточкой и каналом не выдерживает. Заряды 3 лопаются по проточкам. Новые фрагменты с уменьшенной вдвое длиной начинают безопасно гореть автономно. Объемное разрушение их с каналов с последующим аномально высоким давлением в скважине, которое было бы с ТТЭ без проточки, предотвращено.
Обработка скважины позволяет получить дополнительные притоки с принудительным делением зарядов 3. Максимальное давление при обработке составляет 82 МПа.
Рассмотренные варианты использования устройства и способа обработки скважин приемлемы при различных геолого-технических условиях, включая и экстремальные.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1704513 A1, 5 кл. E21В 43/263. Устройство для воздействия на пласт давлением продуктов сгорания твердого топлива. Сухоруков Г.И., Беляев Б.М. и др. Заявл. 03.05.1988. Зарегистрировано 08.09.1991.
2. Патент РФ №2018508 C1, 5С 5/00. Твердотопливный скважинный газогенератор. Крощенко В.Д., Колясов С.М. и др. Заявл. 02.01.1990, опубл. 30.08.1994, бюл. №16.
3. Патент РФ №20047744 C1, 6 E21B 43/11, 43/26. Устройство для воздействия на пласт. Гайворонский И.Н., Крощенко В.Д. и др. Заявл. 23.03.1992, опубл. 10.11.1995, бюл. №31.
4. Патент РФ №2106485, МПК E21B 43/263. Способ обработки призабойной зоны пласта и устройство для его осуществления. Краснощеков Ю.И., Самошкин В.И., Зансохов Л.Г. и др. Заявл. 25.08.1995, опубл. 10.03.1998.
5. Патент РФ №2183740 C1, 6 E21B 43/263. Заряд бескорпусной секционный для газодинамического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Газизов Ф.М. и др. Заявл. 22.08.2001, опубл. 20.06.2002.
6. Патент РФ №2175059, МКИ E21B 43/263. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом для стимуляции скважин. Крощенко В.Д., Грибанов Н.И., Гайворонский И.Н. и др. Заявл. 06.10.1999, опубл. 20.10.2001.
7. Патент РФ №2261990, МПК E21B 43/263. Способ термогазохимического воздействия на пласт и твердотопливный заряд для его осуществления. Дыбленко В.П., Шарифуллин Р.Я., Лысенков А.П и др. Заявл. 14.08.2003, опубл. 10.10.2005.
8. Патент РФ №2339810, МПК 21 В 43/263. Газогенератор на твердом топливе для термогазохимической и виброволновой обработки скважин. Пелых Н.М., Федченко Н.Н., Богданов С.Ю., Кузнецова Л.Н., Зарипов Ф.Р. Заявл. 02.03.2007, опубл. 27.11. 2008, бюл. №33 - прототип.
9. Пелых Н.М. Нестационарное горение зарядов твердых топлив и использование его в народном хозяйстве. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Пермь, 2002.