УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОБАРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПРОДУКТИВНОГОГО ПЛАСТА СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR PROPELLANT STIMULATION OF WELL PRODUCTIVE BED AT WELL BOTTOM ZONE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для термобарохимической обработки призабойной зоны продуктивного пласта скважин с целью увеличения добычи нефти и газа за счет повышения фильтрационных характеристик продуктивного пласта.
Известен ряд конструкций для термобарохимической обработки призабойной зоны продуктивного пласта. Общим для них является наличие твердотопливных шашек (одной или нескольких), опускаемых в скважину с помощью геофизического кабеля. Эти шашки устанавливаются в интервале обработки пласта, поджигаются с помощью электрического импульса, подаваемого с устья скважины по геофизическому кабелю. Положительный эффект достигается за счет комплексного воздействия на продуктивный пласт - высокого давления и высокой температуры, создаваемыми горящими зарядами. Высокое давление приводит к разрыву пласта в виде его трещиноватости, а высокая температура продуктов сгорания способствует удалению парафинов и асфальтенов, загрязняющих пласт, за счет их плавления. Совокупность данных факторов обеспечивает повышение проницаемости пласта.
Известно устройство для разрыва продуктивного пласта нефтедобывающих скважин давлением пороховых газов с целью интенсификации нефтедобычи, содержащее подвеску и размещенные на ней трубчатые рабочие и воспламенительные твердотопливные элементы (ТТЭ), узлы крепления их к подвеске (патент RU №2047744, МКИ 6Е21В, 43/11, 43/26, 1992).
Аналогами предлагаемому могут быть также следующие устройства.
Газогенератор для стимуляции добычи нефти и газа, включающий пороховые трубчатые бронированные заряды с размещенным под ними воспламенительным зарядом, и грузонесущий геофизический кабель, проходящий по каналам ТТЭ с элементами конструкции (патент RU №2175059, С2, 06.10.1999), известно также устройство для термобарохимической обработки призабойной зоны продуктивного пласта скважин, содержащее два твердотопливных заряда, состоящих из набора цилиндрических канальных шашек и воспламенителя, соединенных друг с другом с опорой по торцевым поверхностям при помощи геофизического кабеля, проходящего через канал шашек, и элементов крепления. Устройство предназначено для комплексного воздействия на продуктивный пласт скважины (патент RU 2235197, С2, 20.03.2004).
Наиболее близким из устройств к предлагаемому является термогазогенератор для обработки призабойной зоны продуктивного пласта нефтяных скважин (патент RU 2184220, С2, 10.08.2000 МПК Е21В 43/25), которое принято за прототип. Термогазогенератор состоит из ряда последовательно собранных на геофизическом кабеле зарядов смесевого твердого топлива диаметром 70-100 мм с центральным каналом диаметром 14-17 мм, трубки, изготовленной из алюминиевого сплава и прочноскрепленной с пороховым составом, заключенных в мягкую сгораемую оболочку из прорезиненной ткани и устройства сборки. Один из пороховых зарядов является воспламенителем. Воспламенитель устанавливается снизу. Воспламенение порохового заряда термогазогенератора происходит от подачи с пульта на устье скважины по геофизическому кабелю электрического импульса на нагревательный элемент из спирали, установленной в воспламенителе. Доставка термогазогенератора в зону обработки производится на геофизическом кабеле.
Длительная эксплуатация термогазогенератора выявила ряд его существенных недостатков. Значительный рост стоимости смесевого твердого топлива привел к потере конкурентоспособности данных изделий. Низкие механические характеристики топлива затрудняют использование термогазогенератора при температурах выше 150°С. Высокая металлоемкость устройства сборки приводит к засорению скважин металлическими элементами конструкции, остающимися в ней после срабатывания термогазогенератора. Наличие одного воспламенителя оказалось недостаточным для обеспечения высокого уровня надежности воспламенения.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности устройства, обеспечение простоты конструкции и технологии его изготовления, повышение надежности, безопасности изготовления и эксплуатации, снижение стоимости, т.е. создание эффективного, универсального устройства для эксплуатации в нефтяных и газовых скважинах различной глубины.
Технический результат достигается следующим образом.
2
2
Устройство для термобарохимической обработки призабойной зоны продуктивного пласта скважины, содержащее ряд безкорпусных канальных твердотопливных зарядов из баллиститного топлива, собираемых с опорой на торцевые поверхности при помощи геофизического кабеля, проходящего через осевой канал всех зарядов и элементов крепления. Одновременное воспламенение всех зарядов обеспечивается двумя воспламеняющими зарядами, установленными по торцам устройства, все применяемые заряды имеют отношение длины заряда к диаметру их канала равным 50:1, на внешних торцах воспламеняющих зарядов установлены детали, исключающие вращение геофизического кабеля относительно этих зарядов при вертикальном подъеме и спуске устройства в скважину, при этом участок геофизического кабеля, проходящий через канал всех зарядов и примыкающий к нему участок такой же длины со стороны верхнего заряда термоизолированы тиокольным герметиком, а необходимый зазор между зарядами обеспечен приклейкой на один из торцев каждого заряда четырех цилиндрических твердотопливных вставок с размерами, обеспечивающими суммарную площадь прохода между вставками, равную или более площади поперечного сечения канала заряда, покрытых по наружной поверхности составом, препятствующим горению, а необходимый зазор между поверхностями зарядов и поверхностью обсадной колонны, исключающий контакт этих поверхностей, обеспечен наклейкой на боковую поверхность зарядов «сухарей» из листового полимерного материала из расчета один «сухарь» высотой 0,5 см площадью 1 см на 30 см боковой поверхности заряда.
Для изготовления устройства могут быть использованы твердотопливные заряды ракетных двигателей на баллиститном топливе, подлежащие утилизации.
Высокая эффективность устройства обеспечивается большим объемом газообразных продуктов сгорания, высоким давлением в зоне обработки, высокой температурой продуктов сгорания топлива, а также отсутствием твердой конденсированной фазы (шлаков) в продуктах сгорания из-за отсутствия металлов в составе топлива.
Простота конструкции предопределена простотой устройства сборки, которое в свою очередь создавалось исходя из требований минимальной металлоемкости и сохранения целостности всех его элементов в процессе горения зарядов.
Использование ракетных зарядов, подлежащих утилизации, предельно упрощает конструкцию, технологию и безопасность изготовления устройства и значительно (до 400%) снижает его стоимость.
На фиг.1-4 изображено предлагаемое устройство, где обозначено:
1 - геофизический кабель;
2 - спираль накаливания;
3 - хомут;
4 - воспламеняющий заряд;
5 - промежуточный заряд;
6 - вставка;
7 - «бронировка»;
8 - «сухарь»;
9 - электрический провод;
10 - шпилька;
11 - герметик;
12 - диск;
з
L- длина заряда;
k
D - диаметр канала заряда.
з
к
k
2
2
Устройство состоит из комплекта цилиндрических канальных безкорпусных зарядов, изготовленных из баллиститного твердого топлива, собираемых непосредственно перед эксплуатацией устройства на устье скважины при помощи геофизического кабеля 1, пропускаемого через осевой канал каждого заряда и удерживаемых в контакте друг с другом при помощи хомутов 3, устанавливаемых на геофизический кабель 1 на торцах устройства. Геофизический кабель 1, проходящий через канал всех зарядов, ограничивает площадь проходного сечения канала зарядов, которая может оказаться недостаточной для истечения продуктов сгорания в начальный момент горения, что приведет к разрушению зарядов избыточным давлением продуктов сгорания, образовавшимся вследствие этой недостаточности. Для исключения аномальной работы зарядов по этой причине при изготовлении зарядов должно быть обеспечено отношение длины зарядов L к диаметру их канала D равным 50:1. Участок геофизического кабеля, проходящий через канал всех зарядов, и примыкающий к нему участок такой же длины со стороны верхнего заряда, термоизолированы тиокольным герметиком 11 от воздействия высокой температуры продуктов сгорания зарядов. Комплект зарядов состоит из двух воспламеняющих зарядов 4, устанавливаемых по торцам устройства, и нескольких промежуточных зарядов 5. Применение двух воспламеняющих зарядов обусловлено технической задачей настоящего изобретения - повышение эффективности и надежности работы устройства. Повышение эффективности достигается за счет качества воспламенения, т.е. одновременного воспламенения всех зарядов устройства, что позволяет реализовать энергию зарядов в максимально короткое время и обеспечить необходимый импульс давления. Учитывая сложные условия доставки устройства в зону обработки скважины и сложные условия рабочей среды, наличие второго воспламеняющего заряда повышает надежность воспламенения. Инициирование воспламеняющих зарядов 4 производится спиралью накаливания 2, вмонтированной в заряд в районе внешнего торца, подачей электрического импульса на спираль накаливания 2 с устья скважины по геофизическому кабелю 1. Количество промежуточных зарядов 5 назначается в зависимости от скорости горения топлива, веса заряда и глубины скважины. Для многократного снижения стоимости устройства, а также для обеспечения экологической чистоты процесса, в качестве топливных зарядов предлагается использовать канальные твердотопливные ракетные заряды из баллиститного топлива наружным диаметром 65-100 мм, подлежащие утилизации. Торцевой опорой каждого заряда при сборке устройства являются четыре цилиндрические вставки 6, изготовленные из того же топлива и приклеенные на один из торцов каждого заряда равнорасположенно по окружности. Вставки 6 предназначены для обеспечения гарантированного зазора между зарядами необходимого для выхода продуктов сгорания из канала горящих зарядов, чтобы сбросить избыточное давление в канале, разрушающее заряд, образующееся в канале из-за неравенства газоприхода газорасходу в начальный период работы устройства, когда комплект зарядов устройства, не разделенных вставками, представляет собой один, в несколько раз увеличенный по длине, заряд с каналом, занятым геофизическим кабелем. Высота и диаметр цилиндрических вставок 6 выбираются в зависимости от диаметра канала зарядов D таким образом, чтобы суммарная площадь прохода между вставками 6 была равна или больше площади поперечного сечения канала заряда. Чтобы предотвратить преждевременное сгорание вставок 6 и тем самым сохранить зазор между зарядами в начальном периоде горения зарядов, необходимо замедлить процесс сгорания вставок 6, что достигается защитой от горения «бронированием» открытой поверхности вставок 6. В качестве «бронировки» 7 используется эпоксидный состав. С целью исключения несанкционированного воспламенения зарядов от трения боковой поверхности зарядов о поверхность обсадной колонны (особенно опасно сухое трение) при опускании устройства в зону обработки на боковую поверхность зарядов наклеены «сухари» 8 - детали из листового полимерного материала (например, нитролинолиум) толщиной, гарантирующей необходимый зазор между поверхностью заряда и обсадной колонной. «Сухари» 8 наклеены на боковую поверхность зарядов в плоскости нескольких сечений по длине заряда. Количество сечений определяется в зависимости от длины заряда. «Сухари» соседних сечений смещены относительно друг друга на 90° для более равномерного распределения их по поверхности заряда. Количество «сухарей» 8 определяется из расчета один «сухарь» высотой 0,5 см площадью 1 см на 30 см поверхности заряда. Для уменьшения вероятности сбивания «сухарей» при ударе о препятствие при опускании устройства в скважину они расположены продольно относительно заряда. Геофизический кабель 1 до опускания устройства в скважину намотан на барабан подъемника. Покидая барабан, при опускании устройства, геофизический кабель 1 подвергается воздействию крутящего момента, заложенного при его укладке в барабан. В случае, если геофизический кабель 1 не связан жестко с устройством, при подъеме над скважиной и опускании в скважину он вращается относительно устройства и чем глубже скважина, тем продолжительнее его вращение до полной реализации крутящего момента. Поскольку электрические провода 9 геофизического кабеля 1 соединены со спиралями накаливания 2, вмонтированными в воспламеняющие заряды 4, при вращении геофизического кабеля 1 происходит наматывание на него электрических проводов 9 и, как следствие, разрыв электрической цепи. Чтобы исключить влияние крутящего момента на надежность воспламенения, необходимо жестко соединить воспламеняющие заряды 4 с геофизическим кабелем 1, с этой целью на внешние торцы воспламеняющих зарядов 4 наклеены стальные диски 12 диаметром, равным диаметру зарядов. Перед наклеиванием на диски 12 установлены по одной стальной шпильке 10. При сборке устройства шпильки 10 становятся опорой для хомутов 3, фиксирующих сборку, и передают крутящий момент от геофизического кабеля 1 на устройство, исключая тем самым вращение кабеля относительно зарядов.
Устройство работает следующим образом.
Устройство опускают на геофизическом кабеле 1, подсоединенном к кабельной головке, на забой скважины и устанавливают напротив интервала обрабатываемого пласта. С устья скважины через геофизический кабель 1 подают электрический импульс на спираль накаливания 2 воспламеняющих зарядов 4. В течение ограниченного времени (0,1-0,3 с) воспламеняются все заряды. Поскольку горение зарядов происходит по всем открытым поверхностям, продолжительность процесса определяется скоростью горения, величиной горящего свода топлива и давлением в зоне обработки. На фиг.5 представлен характер изменения температуры Т и давления Р в зоне обработки нефтяной скважины при срабатывании устройства. Давление пороховых газов Р на этом участке возрастает и одновременно повышается скорость горения зарядов U, связанная с давлением зависимостью
0
υ
U=U(T)P,
0
1
где U(T)- скорость горения при Р=0,1 МПа, зависящая от температуры;
Р - текущее давление;
υ - коэффициент, определяемый опытным путем.
При кратковременном сгорании зарядов (2-2,5 с) столб скважинной жидкости, находящийся над устройством, вследствие инерционности и трения о стенки скважины остается неподвижным в течение всего времени горения зарядов и выполняет роль пакера, благодаря чему в районе горения возникает давление, превышающее горное, что и приводит к разрыву пласта. Необходимый уровень давления разрыва пласта достигается подбором поверхности горения, скорости горения и веса зарядов. Газообразные продукты сгорания, расширяясь, приводят в движение столб скважинной жидкости, поднимая его на определенную высоту. Давление в зоне обработки падает. Происходит депрессия на пласт (всасывание). Столб жидкости возвращается в исходное положение, сжимая газ. Происходит репрессия на пласт (нагнетание). Таким образом происходят затухающие колебания столба скважинной жидкости, оказывая репрессионно-депрессионное воздействие на продуктивный пласт, способствуя более глубокому продвижению газообразных продуктов, имеющих высокую температуру, в продуктивный пласт. Как свидетельствуют измерения, температура на этом участке достигает ~1100°С. Глубокий прогрев продуктивного пласта обеспечивает снижение вязкости нефтяных флюидов, т.е. повышает их подвижность, а репрессионно-депрессионное воздействие ослабляет их связь с породой пласта.
В 2010-2012 гг. проведено 150 обработок нефтяных скважин на месторождениях Российской Федерации и Республики Казахстан с использованием предлагаемого устройства. На всех скважинах после обработки получен положительный экономический эффект.