Пароимпульсный генератор давления
STEAM PULSE PRESSURE GENERATOR

Область техники
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к устройствам для повышения продуктивности скважин путем обработки призабойной зоны пласта (ПЗП).
Суть изобретения
Устройство для обработки призабойной зоны нефтяного пласта, включающее герметичный корпус с переходным устройством и парокинетической камерой (ПКК), с загрузкой высокоэнергетической не детонирующей тепловыделяющей смеси и системой инициирования горения, отличающийся тем, что в состав корпуса и переходного устройства (ПУ) включен узел калиброванной защиты от разгерметизации основного корпуса в месте его соединения с ПУ, а в состав ПКК включены перфорированная внутренняя труба, которая служит направляющей, формирующая движение расплава (в вертикальных и наклонных скважинах) вдоль ее центральной оси, и защитная оболочка, препятствующая попаданию во внутренний объем ПКК нефтяных фракций.
Техническая проблема
В области интенсификации нефтегазодобычи существуют проблемы повышения фильтрационных характеристик призабойной зоны пласта (ПЗП) и увеличения продуктивности скважин, особенно на старых месторождениях, а также нефти с высоким содержанием кольматирующих примесей. Предложен ряд устройств, которые в той или иной степени решают эту проблему. Однако они либо требуют больших затрат, либо недостаточно эффективны, либо то и другое вместе.
Предшествующий уровень техники
Известны способ и устройство для обработки призабойной зоны нефтяных скважин (RU 2147337), состоящее из погружного генератора, выполненного в виде корпуса, в котором закреплен стакан, предназначенный для аккумулирования газообразной среды, получаемой в результате инициирования рабочего агента и его реакции (например, реакция горения азида щелочного металла (Na2N3) и окисла металла (Fe2O3).
В корпусе выполнены сопловые отверстия (их количество может быть различным), расположенными в горизонтальной плоскости и соединяющие полость корпуса с внутренней средой скважины. В отверстиях установлены сопла с проходным отверстием. Сопла могут быть сменными, с различным размером проходного отверстия.
В корпусе также установлены элементы инициирования рабочего агента, например пиропатрон, воспламенитель и собственно рабочий агент.
Клапан, выполненный в виде поршня и разрывного элемента, открывающий сопловые отверстия одновременно, что позволяет подавать газовую смесь одновременно под одинаковым давлением через все сопловые отверстия и, тем самым, создать одинаковые условия обработки всей зоны перфорации пласта.
В корпусе установлен демпфирующий элемент, который гасит скорость перемещения поршня и предохраняет корпус генератора от разрушения.
На стакане установлен разрывной элемент (например, болт), связывающий стакан с поршнем, установленным с возможностью перемещения в корпусе. Разрывной элемент имеет нормированную шейку, рассчитанную на определенное (заданное) усилие разрыва.
Для осуществления обработки призабойной зоны пласта скважины в последнюю может быть опущено несколько последовательно закрепленных на каротажном геофизическом кабеле генераторов, элементы каждого из них связаны с коммутационным блоком, закрепленным на кабеле и связанным с пультом управления, расположенным на поверхности. В верхней и нижней частях стакана имеется как минимум по одному отверстию.
После отработки технологического цикла коммутационный блок и генератор (генераторы) поднимают перемещением каротажного геофизического кабеля на поверхность.
Недостатком аналога является:
1. то, что используемая в качестве рабочего агента генератора смесь азида щелочного металла с окислом металла является взрывчатым веществом, способным к детонации, что из-за взрывоопасности, особенно при ударных воздействиях, снижает успешность и эффективность обработки скважин;
2. в конструкции ИГД не предусмотрена возможность безопасного сброса давления в корпусе генератора, в случае несрабатывания клапанного узла;
3. наличие в конструкции ГИД механических узлов, понижает надежность срабатывания ГИД;
4. описанные в аналоге ГИД предназначены для работы без НКТ, что ограничивает их применение, поскольку сопряжено с выемкой труб НКТ из скважины, для чего необходимо использовать специальное громоздкое оборудование;
5. отсутствие надежной защиты кабельной каротажной головки от резких скачков давления и температуры приводят к частому выходу головки и геофизического кабеля из строя;
6. наличие в конструкции ГИД стандартной российской головки, ограничивает его применение территорией стран СНГ;
7. агент генератора относится к классу взрывоопасных веществ, способных к детонации.
Указанные недостатки резко снижают успешность и эффективность обработки скважин генератором.
Известно устройство для обработки призабойной зоны скважин (RU 2295637, 22.06.2005), названное авторами твердо пламенным тепло генератором (ТТГ). Устройство является мощным источником тепловой энергии, помещаемым в призабойную зону нефтяного пласта с помощью стандартного геофизического оборудования. Терм импульсная обработка скважин с использованием ТТГ используется при осуществлении плановых ремонтных работ на скважинах, когда в скважину закачивается вода. В состав устройства входит герметичный корпус с головкой, согласованной со стандартным кабельным наконечником, загрузка тепловыделяющих блоков и система инициирования горения. Согласно изобретению, в стенке корпуса выполнены ослабленные локальные участки в виде несквозных углублений, либо в виде сквозных окон с герметичными мембранами-заглушками, которые впаиваются либо вклеиваются в окна, причем и те и другие расположены, по меньшей мере, в двух местах по длине корпуса - возле кабельного наконечника и возле днища, а кабельный наконечник и днище отделены теплоизолирующими слоями от тепловыделяющих блоков; а в качестве поджигающих и тепловыделяющих смесей используют высокоэнергетические порошковые смеси, включающие один или несколько твердых окислителей в виде оксидов металлов и один или несколько активных металлов-восстановителей, которые обеспечивают адиабатическую температуру горения 2500-3500 К и линейную скорость горения до 2 м/с; при этом система инициирования горения размещается либо сверху, либо снизу тепловыделяющих блоков.
Недостатком аналога является:
1. при сгорании тепловыделяющих блоков, которые образуют продукты горения в виде расплава, происходит проплавление как «ослабленных» мест, так и самой трубы в корпусе устройства и расплав попадает в скважину, особенно это проявляется в наклонных скважинах, в которых он непосредственно выливается на стенки обсадной колонны и заплавляет перфорационные отверстия в обсадной трубе скважины. Это сопряжено с серьезными последствиями для последующей нормальной эксплуатации скважины
2. отсутствие надежной защиты от разгерметизации основного корпуса ТТГ в месте его соединения с головкой.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности прототипом является заявка, поданная в США на паро-импульсный генератор давления для обработки нефтяных скважин, (international application number 14036930 from 25.09.2013 на US 2015083388, опубликована 26.03.2015).
Устройство является мощным импульсным источником тепловой энергии (~30-60 МДж.), помещаемым непосредственно в интервал обработки пласта с помощью стандартного геофизического оборудования. И состоит из двух основных функциональных узлов, отделенных защитной проплавляемой перегородкой (мембраной):
- тепловыделяющего устройства, представляющего собой герметичный корпус, полость которого заполнена тепловыделяющими блоками с системой инициирования горения;
- парокинетической камеры, представляющей собой негерметичный, максимально открытый корпус, с отверстиями (соплами) равномерно распределенными по всей его поверхности, оказывающий минимальное динамическое сопротивление для выхода паро-газовой смеси и максимально препятствующей выходу твердых фракций в скважину.
ПИГД в сборе опускают на кабель-тросе в интервал перфорации скважины. С устья скважины подают по кабель-тросу электрический импульс на разрядный модуль, где формируется дуговой разряд, инициирующий образование фронта горения, распространяющегося в виде тепловой волны сверху вниз со скоростью около 1 м/с. При горении тепловыделяющих блоков химическая энергия смеси превращается в тепловую энергию на уровне 5-7 МДж/кг.
В процессе непосредственного контакта высокотемпературного расплава (поступающего с основного корпуса, с температурой не ниже 2300 К) со скважинным флюидом (вода) возникает гидродинамическое возмущение высокой интенсивности в виде парового взрыва, которое проникает в ПЗП через перфорацию в обсадной колонне и вызывает увеличение фильтрационных свойств коллектора не только и не столько за счет удаления АСПО, сколько за счет микро разрывов пласта в районе ПЗП.
Пароимпульсная обработка скважин с использованием ПИГД удобно вписывается в график плановых ремонтов, когда в скважину закачивается вода или же в процессе ее эксплуатации, поскольку весь цикл подготовительных работ и сама обработка вкладываются в одну рабочую смену.
Недостатком данного прототипа является:
1. возможность работы только в вертикальных скважинах
2. отсутствие защиты ПКК от попадания нефтяных фракций внутрь корпуса, при спуске в скважину
3. отсутствие надежной калиброванной защиты от разгерметизации основного корпуса ПИГД в месте его соединения с переходным устройством.
4. отсутствие устройства для центрирования ПИГД внутри обсадной колонны в вертикальных и(или) наклонных скважинах.
Фиг. 1. Общий вид пароимпульсного генератора давления типа ПИГД-01:
1 - переходное устройство; 2 - корпус; 3 - узел сопряжения; 4 - паро-кинетическая камера;
Техническим результатом данного изобретения является создание конструкции пароимпульсного генератора давления, ПИГД-01 с парокинетической камерой новой конструкции, в которой осуществляется контакт расплавленных продуктов горения со скважинным флюидом внутри перфорированной трубы, которая одновременно служит направляющей, обеспечивающей направленное движение расплава вдоль ее центральной оси, максимально компенсируя таким образом, осевую нессиметрию, связанную с воздействием на движущийся расплав гравитационного поля Земли.
Технический результат достигается с помощью ряда конструкционных особенностей новой модели ПИГД-01, общий вид которой представлен на фиг.  1. Переходное устройство 1 и парокинетическая камера 4 соединяются с корпусом 2 с помощью резьбовых соединений, причем переходное устройство присоединяется герметично. Для центрирования устройства в обсадной колоне нефтяной скважины применяется центратор пружинный, регулируемый. Все рассмотренные ниже конструктивные элементы пароимпульсного генератора давления ПИГД-01 являются его отличительными особенностями по сравнению с прототипом. Конструкция каждого из узлов тепло генератора показана на фигуре 2.
Фиг. 2а. Сечение корпуса парокинетической камеры ПКК горизонтальной плоскостью:
2а - ПКК с тонкостенной стальной защитной оболочкой
1 - внутренняя направляющая труба ПКК; 2 - защитная оболочка ПКК; 3 - наружная труба ПКК
2б-2в - ПКК с тонкостенной пластиковой защитной оболочкой
1 - внутренняя труба ПКК; 2 - защитная оболочка ПКК; 3 - наружная труба ПКК
На фиг. 2 (состоит из 3-х подфигур) показана новая конструкция узла 4 (фиг. 1) - парокинетической камеры (в прототипе использовалась ПКК без внутренней направляющей трубы и без защитной оболочки) и варианты ее исполнения фиг. 2а-2в, представляющую собой негерметично, максимально открытый корпус, с отверстиями (соплами) равномерно распределенными по всей его поверхности, оказывающей минимальное динамическое сопротивление для выхода парогазовой смеси и максимально препятствующая выходу твердых фракций в скважину, обеспечивающей оптимальное сочетание показателей «прозрачности» α=0,5-0,6 и деформируемости.
В сравнении с прототипом, новая конструкция этого узла отличается тем, что для более эффективной работы ПИГД-01 в наклонных скважинах, в основную конструкцию ПКК, вдоль ее центральной оси ведена перфорированная внутренняя труба 1, которая служит направляющей, формирующая движение расплава (после разрушения защитной мембраны) вдоль ее центральной оси, максимально компенсируя, таким образом, осевую не симметрию, связанную с воздействием на движущийся расплав в наклонной скважине гравитационного поля Земли и препятствуя его продвижению по внутренней поверхности наружной трубы.
Второй отличительной особенностью новой конструкция ПКК является то, что для предохранения внутреннего объема ПКК от попадания в него нефтяных фракций (при спуске устройства в скважину), в него вводится защитная оболочка 2. Перед спуском ПИГД в скважину, данный объем заполняется водой. Наличие подобной защиты позволяет оперативно применять технологию ПИГД в эксплуатируемых скважинах, поскольку позволяет осуществлять проведение работ в скважинах с частичным заполнением водой области обработки ПЗП (10-15 м вместо 1000-5000 м) и таким образом значительно снижая время подготовительных работ.
Признаками изобретения являются:
1. Универсальное переходное устройство, совместимое с любым геофизическим соединителем (кабельным наконечником).
2. Тепловыделяющее устройство с герметичным корпусом.
3. Узел калиброванной защиты подачи расплава, в парокинетическую камеру, с проплавляемой диафрагменной перегородкой (мембраной).
4. Система инициирования горения, включающая искро-дуговой генератор типа ГИД и разрядный модуль.
5. Тепловыделяющие блоки из высокоэнергетической недетонирующей тепловыделяющей смеси.
6. Парокинетическая камера.
Признаки 1-5 являются общими с прототипом, признак 6 существенным образом отличается от прототипа.
Функциональное назначение отличительных признаков новой конструкции пароимпульсного генератора давления, ПИГД-01 состоит в следующем.
1. Новая конструкция парокинетической камеры отличается тем, что для более эффективной работы ПИГД в наклонных скважинах, в основную конструкцию ПКК, вдоль ее центральной оси ведена перфорированная внутренняя труба, которая служит направляющей, формирующая движение расплава (после разрушения защитной мембраны) вдоль ее центральной оси, максимально компенсируя, таким образом, осевую не симметрию, связанную с воздействием на движущийся расплав в наклонной скважине гравитационного поля Земли и препятствуя его продвижению по внутренней поверхности наружной трубы.
2. В новой конструкция ПКК вводится защитная оболочка, которая (при спуске ПИГД в скважину) предохраняет внутренний объем ПКК от попадания в нее нефтяных фракций, см. Рис. 2а-2в, позиция 2. Перед спуском ПИГД в скважину, данный объем заполняется водой.
3. Новый узел калиброванной защиты от разгерметизации основного корпуса ПИГД-01 в месте его соединения с ПУ отличается от узла защиты в прототипе тем, что в месте соединения ОК и ПУ создается пустотелый промежуток (объем), в который помещается фторопластовая втулка, цилиндрической формы, и которая при закручивании ПУ в ОК сжимается, обеспечивая, таким образом, надежную защиту данного узла. Причем, путем расчетов, высота втулки выбирается таким образом, что бы при плотном соединении ОК с ПУ, внутри втулки создалось давление не менее 50 МПа. Для измерения данного параметра, при присоединении переходного устройства к основному корпусу, используется измеритель крутящего момента силы на валу.
По остальным признакам и по принципу функционирования предлагаемая конструкция практически не отличается от прототипа. Как и в случае прототипа, ПИГД-01 в сборе опускают на кабель-тросе в интервал перфорации скважины. С устья скважины подают по кабель-тросу электрический импульс на разрядный модуль, где формируется дуговой разряд, инициирующий образование фронта горения, распространяющегося в виде тепловой волны сверху вниз со скоростью около 1 м/с. При горении тепловыделяющих блоков химическая энергия смеси превращается в тепловую энергию в диапазоне ~30-60 МДж. При этом в приосевой части ПИГД-01 развивается температура ~2300 К. За счет интенсивной теплоотдачи корпуса ПИГД-01 в окружающий флюид температура стенки основного корпуса ПИГД снижается до 600-700 К (при давлении в скважине ~10-20 МПа), превышающей локальную температуру кипения воды.
По мере сгорания тепловыделяющих блоков, продукты горения накапливаются в донной части корпуса и, прожигая мембрану узла сопряжения, попадают в паро-кинетическую камеру генератора. При этом происходит залповый контакт высокотемпературного расплава с флюидом (вода).
В результате взаимодействия высокотемпературного расплава с флюидом, развивается контролируемый паровой взрыв, который формирует радиально направленный выброс пара из паро-кинетической камеры и создает мощный импульс давления. Импульс давления обеспечивает инжекцию через перфорацию внутрискважинного флюида вместе с высокотемпературной водно-паровой смесью и их перемешивание в ПЗП. На фронте импульса высокое давление инициирует расширение существующих и формирование новых микротрещин и гидроразрывов в ПЗП.
На второй фазе импульса, в результате взаимодействия развитой поверхности высокотемпературной водно-паровой смеси, выбрасываемой импульсом давления в каналы и микротрещины ПЗП, и перемешивания водно-паровой смеси с окружающим флюидом, инициируется быстрое охлаждение и конденсация пара. Как следствие, вслед за импульсом давления в зоне перфорации скважины формируется резкий импульс разрежения (имплозии), вызывающий (в силу неразрывности жидкой среды) обратный поток флюида через перфорацию в скважину и вынос кольматирующих частиц вместе со скважинным флюидом из ПЗП.
При определенных условиях в процессе имплозии возможно образование в перфорационных каналах кавитационных пузырьков, охлопывание которых может способствовать очистке окружающей поверхности коллектора ПЗП.
Таким образом, энергетический импульс при срабатывании ПИГД вызывает комбинированный динамический термо-барический эффект.
Тепловой фактор вызывает уменьшение вязкости нефти (это кратковременный эффект) и расплавление асфальтено-смолисто-парафиновых отложений (АСПО). Фактор высокого давления на фронте импульса вызывает расширение существующих и формирование новых микротрещин для притока нефти, а фактор имплозии - вынос, коль матирующих частиц из ПЗП (это долговременные эффекты).
Охлаждение пароводяной смеси при определенных условиях может инициировать кавитационные эффекты, связанные с процессами образования и охлопывания пузырьков пара, которые сопровождаются генерацией высокочастотных акустических и ударных волн, что может усиливать эффект очистки каналов притока нефти в ПЗП, вынос загрязнений во внутреннюю полость скважины и, в целом, обеспечивать дополнительное снижение гидравлического сопротивления в ПЗП.
Предлагаемая конструкция парогенератора ПИГД-01 позволяет повысить эффективность и время обработки ПЗП (в сравнении с прототипом) за счет применения защитной оболочки, предохраняющей случайное попадание нефти внутрь ПКК и тем самым предотвращая образования твердых фракций, при взаимодействии расплава с нефтью, (способных привести к закупорке нефтяных каналов). Наличие подобной защиты позволяет оперативно применять технологию ПИГД в эксплуатируемых скважинах, поскольку позволяет осуществлять проведение данных работ в скважинах с частичным заполнением водой (10-15 м) области обработки ПЗП и таким образом значительно снижая время подготовительных работ и тем самым резко сократить время на подготовку скважины к обработке.
Примеры конкретного выполнения.
нар
вн
№1. Для сборки корпуса изделия ПИГД-01 использовали стальную бесшовную трубу (D×D×L) 50×40×2000. К одному из концов трубы присоединяли узел сопряжения 1-3 (см. фиг. 1), приварив его с помощью аргонной сварки. Полость корпуса заполняли прессованными блоками тепловыделяющей смеси (D=39 мм, L=45-50 мм) с общим весом около 7 кг. К собранному корпусу с помощью резьбового соединения и уплотнения присоединяли переходное устройство 1-1 (фиг. 1), в котором располагается система инициирования горения с разрядным промежутком, к резьбовой части узла сопряжения присоединяли парокинетическую камеру длиной 1600 мм, диаметром 50 мм 1-4 (фиг. 1), предварительно заполненную водой.
нар
вн
№2. Для сборки корпуса изделия ПИГД-01 использовали стальную бесшовную трубу (D×D×L) 60×44×2000. К одному из концов трубы присоединяли узел сопряжения 1-3 (см. фиг. 1), приварив его с помощью аргонной сварки. Полость корпуса заполняли прессованными блоками тепловыделяющей смеси (D=43 мм, L=65-70 мм) с общим весом около 10 кг. К собранному корпусу с помощью резьбового соединения и уплотнения присоединяли переходное устройство 1-1 (фиг. 1), в котором располагается система инициирования горения с разрядным промежутком, к резьбовой части узла сопряжения присоединяли парокинетическую камеру длиной 2000 мм, диаметром 60 мм 1-4 (фиг. 1), предварительно заполненную водой.