Перспективная сгораемая композиция для технологии газодинамического разрыва пласта

УДК 662.2:662.76

А. А. Лачугин, А. А. Марсов, С. В. Шахмаев, Ю.М. Поздеева, А. А. Латыпова

ПЕРСПЕКТИВНАЯ СГОРАЕМАЯ КОМПОЗИЦИЯ

ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ПЛАСТА

Ключевые слова: сгораемая композиция, скорость горения, газодинамический разрыв пласта, коллоксилин, олеиновая

кислота.

В работе рассмотрена возможность применения коллоксилина в сгораемой композиции для газодинамического разрыва пласта. Также приведена схема установки и порядок проведения эксперимента. Определены скорости горения, которые свидетельствуют о возможности применения данного состава.

Key words: combustible composition, burning rate, gas-dynamic fracture of the formation, colloxylin, oleic acid.

The possibility of using colloxilin in a combustible composition for gas-dynamic fracturing of a formation is considered in the work. Also shown is the setup diagram and the procedure for conducting the experiment. The burning rates are determined, which indicate the possibility of using this composition.

Введение

В ходе строительства и в процессе эксплуатации нефтегазодобывающих скважин происходит загрязнение прискважинной зоны пласта буровыми и тампонажными растворами, солевыми отложениями, асфальтосмолистыми веществами и другими твердыми частицами, вызывающее ухудшение фильтрационных свойств горных пород и снижение текущих дебитов скважин.

При определенных условиях указанные изменения свойств пласта в прискважинной зоне и сопровождающие их физико-химические процессы могут приводить к полному прекращению притока флюидов к скважине, блокировать часть извлекаемых запасов и существенным образом влиять на конечную нефтеотдачу разрабатываемых залежей [1].

Для увеличения проницаемости прискважинной зоны используются сгорающие композиции, которые создают газодинамический разрыв пласта (ГДРП).

Когда давление, создаваемое в процессе горения заряда в скважине, равно полному горному давлению р или несколько выше его достигается разрыв пласта с получением раскрытых трещин. Воздействие на пласт осуществляется продуктами горения применяемой композиции. Горение заряда в скважине, заполненной жидкостью, сопровождается резким повышением давления и температуры, а также выделением большого количества газов. Волна возмущения, которая распространяется при резком повышении давления в жидкости и на границе которой возникает скачок уплотнения, перемещается практически с постоянной скоростью и вовлекает в движение все новые и новые слои жидкости. Под действием давления газов жидкость отклоняется по стволу скважины от места горения. Часть образующихся газов занимает освобождающийся участок скважины. Остальная часть газов вместе со скважинной жидкостью задавливается в пласт и воздействует на призабойную зону пласта [2].

К устройству, генерирующему давление в скважине, для создания сети трещин в пласте должны быть предъявлены следующие основные требования:

1) поддержание давления в течение определенного времени, достаточного для создания сети трещин в пласте, существенно увеличивающих его проницаемость в прискважинной зоне;

2) выделение такого количества газов, при котором обеспечивается задавливание в пласт необходимой порции жидкости в данных геолого-технических условиях.

В настоящее время генераторы давления снаряжаются зарядами из пироксилиновых порохов или составами окислитель - горючее на основе аммиачной селитры или перхлоратов.

К положительной стороне существующих зарядов на основе пироксилиновых порохов можно отнести создание мощного импульса давления. К недостаткам - опасность в эксплуатации, хранении и транспортировки, т.к. данные вещества относятся к 1 классу опасности.

Также были попытки создания зарядов на основе окислителей таких, как аммиачная селитра, но из-за слабого импульса давления они не нашли столь широкого применения. Поэтому в данной работе была рассмотрена возможность применения динитроцеллюлозы (коллоксилина) в качестве энергонасыщенного компонента. В работе использовался коллоксилин марки "Л" (лаковый), который относится к 4 классу опасности веществ.

Это позволяет использовать преимущества нитроцеллюлозы, в виде высокой скорости горения и решить проблемы с эксплуатацией, хранением и транспортировкой.

Коллоксилин представляет собой рыхлую волокнистую массу белого цвета плотностью 1,65 г/см.

Прессовать чистый коллоксилин опасно ввиду его высокой чувствительности к механическим воздействиям (частость~80%). Поэтому для улучшения прессуемости и прочности необходимо ввести технологические добавки в составы.

В литературе была найдена информация о механизме структурной пластификации нитрата целлюлозы труднолетучими добавками. Он заключается в том, что молекулы пластификатора проникают в межструктурное пространство, а именно в макроскопические структурные единицы, например, в отдельные кристаллические области. Молекулы пластификатора адсорбируются на межструктурной поверхности раздела, образуя слои, играющие роль своеобразной «смазки» между структурными элементами.

Вследствие этого подвижность таких структурных элементов увеличивается, изменяются деформационные свойства материала: повышаются прочность и модуль упругости за счет ориентации надмолекулярных структур под действием нагрузки вдоль оси действия силы.

Из литературы известно, что к веществам, которые оказывают пластифицирующее свойства на нитроцеллюлозу, относятся минеральные масла и эфиры жирных кислот.

Экспериментальная часть

В качестве технологической добавки была выбрана олеиновая кислота как наиболее экологически безопасное, легкодоступное, не дорогое вещество.

Следующим шагом было исследование влияния олеиновой кислоты на прессуемость. В ходе эксперимента были получены кривые прессования для составов с 7.5% и 10% олеиновой кислоты.

Рис. 1 - График зависимости плотности от давления прессования

Анализ кривых показывает, что на отрезке давлений от 300 до 825 МПа у 10%-ого состава значения плотности достигают больших значений, чем у 7.5% - ого состава (рис. 1).

Анализ показал, что на кривых прессования можно выделить несколько участков. В начале прессования, до 300 МПа, изменение плотности от давления происходит по закону Гука. Затем на отрезке от 300 до 850 МПа 7,5% состав имеет более интенсивное изменение плотности, чем 10% состав.

Это показывает, что процентное содержание олеиновой кислоты оказывает положительное влияние на прессуемость. Дальнейший участок кривой прессования показывает уменьшение интенсивности нарастания плотности для обоих

составов. Причем интенсивность у 10% состава ниже. Это показывает, что олеиновая кислота работает в качестве структурного пластификатора, то есть играет роль "смазки" между отдельными кристаллическими областями.

Важное свойство нитроцеллюлозы это ее легковоспламеняемость и высокая скорость горения. Однако условия горения в скважине отличаются повышенным давлением и замкнутым объемом. Поэтому у данных составов были определены скорости горения в условиях скважины. Для этого были приготовлены опытные образцы (рис. 2).

2

1 - ПВХ - трубка, 2 - герметизирующий слой, 3 -разгонный состав, 4 - сгорающий состав, 5 -воспламенительный состав

Рис. 2 - Изделие для испытания на скорость горения

Испытания проводились на стендовой установке имитирующей нефтяную скважину по наличию жидкости и давлению (рис. 3) [3].

На боковой поверхности сосуда имеется отверстие для пьезоэлектрического датчика давления марки Т600. Электрическая цепь датчика давления соединена с усилителем электрических сигналов, АЦП марки Ф7077М/1 и ЭВМ типа ПК для регистрации изменения давления во времени в процессе горения. Сосуд герметично закрывается пробками и поджимается крышками. В верхней крышке установлен электроввод для соединения электрической цепью опытного образца с источником тока - пусковое устройство.

Горение осуществляется при свободном пространстве камеры 210 см3, для чего часть камеры заполняется водой. Сосуд герметизируется пробкой и крышкой. С пульта управления, расположенного вне кабины, подается электрический импульс, инициирующий образец. В процессе горения на ЭВМ регистрируется изменение давления во времени.

В ходе данного опыта были получены кривые зависимости "давление-время" для составов из коллоксилина с содержанием олеиновой кислоты 7,5% и из коллоксилина с содержанием олеиновой кислоты 10% (рис. 4а, б).

По полученным данным рассчитали скорость горения:

1) для состава с 7,5% олеиновой кислоты: 53,5

и

и

303,6 мм/с = 0,3м/с ; 0,1762

2) для состава с 10% олеиновой кислоты:

55,5

0,1950

= 284,61 мм/ с = 0,28м/с.

4

1

3

5

1 - электрическая линия, 2,8 - крышка, 3,7 - пробка, 4 -изделие, 5 - предохранительный клапан, 6 - корпус сосуда, 9 - пусковое устройство, 10 - регистрирующая аппаратура, 11 - линия сброса давления, 12 -пьезоэлектрический датчик давления.

Рис. 3 - Схема стендовой установки комплекса

Для состава с 7.5 % скорость горения составила

0.3.м/с, для 10% - 0,28 м/с.

Если сравнить эти характеристики с основными видами генераторов давления: ПГД - БК - 0,5 м/с, АДС - 0,24 м/с, ЗГРП - 1 м/с, то видно, что они подобны. Поэтому данные составы можно рекомендовать для применения в зарядах для технологии ГДРП [4,5,6].

Заключение

Полученные результаты позволяют судить о том, что данную композицию, возможно, использовать в технологии газодинамического разрыва пласта.

Литература

1.Гребенников В.Т. Технологии воздействия на продуктивный пласт генераторами давления и горюче-окислительными жидкостями / В.Т. Гребенников. - М. : Химия, 1973. - 468 с.

2. Термогазохимическое воздействие на малодебитные и осложненные скважины / Г.А.Чазов [и др.]. - М.: Недра, 1986. - 150 с.

3. Мокеев А.А. Лабораторный стенд для изучения характеристик горения комбинированных зарядов энергонасыщенных материалов / Мокеев А. А., Сальников А.С., Бадретдинова Л.Х.,Евдокимов А.П // Вестник Казанского технологического университета. -Казань, КНИТУ, 2013, №13, с.190-193.

4. Прострелочно-взрывная аппаратура: справочник/ Л. Я. Фридляндер, В. А. Афанасьев, Л. С. Воробьев ; под ред. Л.Я.Фридляндера. - М.: Недра, 1990. - 326 с.

5. Ремонт нефтяных и газовых скважин: справочник. Ч.1 / Ю. А. Нифонтов, И. И. Клещенко ; под ред. Ю. А. Нифонтов. - СПб.: НПО "Профессионал", 2005. - 914 с.

6. Фридляндер Л. Я. Прострелочно-взрывная аппаратура / Л. Я. Фридляндер, В.А. Афанасьев. - М.: Недра, 1990. -278 с.

б

а - Диаграмма для состава с 7.5% олеиновой кислоты; б -Диаграмма горения с 10% олеиновой кислоты

Рис. 4 - Диаграммы горения

© А. А. Лачугин - аспирант каф. технологии твердых химических веществ КНИТУ; А. А. Марсов - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, explo_mars@mail.ru; С. В. Шахмаев - студент той же кафедры; Ю. М. Поздеева - студент той же кафедры, nastyulya.pozdeeva@mail.ru; А. А. Латыпова - студент той же кафедры.

© A. A. Lachugin - postgraduate at the department of technology of solid chemicals KNRTU; A. A. Marsov - candidate. tehn. sciences, associate professor at the department of solid chemicals KNRTU, explo_mars@mail.ru; S. V. Shahmaev - Master Degree of the same department; Y.M. Pozdeeva- Master Degree of the same department, nastyulya.pozdeeva@mail.ru; A. A. Latypova - Master Degree of the same department.