ТЕРМОИСТОЧНИК ДЛЯ ТЕРМОГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ПЛАСТА

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для повышения производительности нефтяных скважин путем обработки призабойной зоны за счет гидроразрыва пласта газообразными продуктами сгорания пороков и твердых топлив.

Одним из рациональных и эффективных методов обработки призабойной зоны с целью установления надежной гидродинамической связи скважины с пластом является способ разрыва пласта газообразными продуктами горения порохового заряда и термогазовое воздействие на призабойную зону пласта. Как известно [1], для этих целей применяют пороховые генераторы давления типа ПГД.БК или аккумуляторы давления типа АДС. Генератор давления ПГД.БК состоит из нескольких соединенных между собой пороховых зарядов с осевыми каналами, которые смонтированы на опорной трубе, по всей поверхности покрыты гидроизоляционным составом, а по наружной боковой поверхности - дополнительным покрытием, предохраняющим заряд от трения и ударов о колонну и обеспечивающим прогрессивное горение с поверхности канала.

Пороховые аккумуляторы давления АДС-5 и АДС-6 различаются конструкцией порохового заряда. Аккумулятор давления АДС-6 состоит из воспламеняющих и из сгорающих пороховых зарядов с осевыми каналами, а сгорающий пороховой заряд АДС-5 - бесканальный. Воспламеняющий пороховой заряд отличается от сгорающего тем, что в нем имеется загерметизированная спираль накаливания для воспламенения порохового заряда при подаче электрического напряжения. Пороховые заряды АДС-5 и АДС-6 не имеют герметичной оболочки и находятся в контакте со скважинной жидкостью.

Известные в настоящее время генераторы и аккумуляторы давления для гидроразрыва пласта состоят преимущественно из зарядов баллиститного пороха или смесевого твердого топлива и отличаются, в основном, усовершенствованиями, направленными на регулирование величины и длительности импульса давления пороховых газов, воздействующих на интервал обработки продуктивного пласта. Так, например, известен газогенератор [2], состоящий из сборки группы зарядов с осевыми каналами, средства их воспламенения, грузонесущего кабеля для доставки газогенератора в скважину и узла крепления газогенератора к кабелю. При этом первая группа зарядов изготовлена из смесевого твердого топлива, обеспечивающего при сгорании создание импульса давления, превышающего горное давление, а вторая группа зарядов изготовлена из баллиститного или смесевого твердого топлива, создающего вторичный фронт давления величиной не менее 0,7 величины первого импульса давления в течение времени, превышающего время действия первого импульса в 3-15 раз. Средство воспламенения зарядов выполнено в виде отрезков детонирующего и огнепроводного шнуров, расположенных в осевом канале сборки зарядов и соединенных между собой с помощью стыковочного узла, при этом детонирующий шнур установлен с возможностью воспламенения зарядов первой группы, а огнепроводный шнур - зарядов второй группы. Недостатком газогенератора является ненадежность воспламенения пороховых зарядов от детонирующего шнура, а также от детонирующего шнура к огнепроводному шнуру.

Общим недостатком рассмотренных выше зарядов из баллиститного или твердого смесевого топлива, используемых в качестве генераторов и аккумуляторов давления для гидроразрыва пласта, является их детонационная способность и связанная с ней низкая безопасность, которая может привести к аварийным ситуациям из-за нарушения при детонации целостности скважины. Такие заряды, кроме того, требуют особых условий хранения, транспортировки и эксплуатации.

Известны так называемые термоисточники, применяемые самостоятельно или в устройствах для термоимплозионной обработки призабойной зоны скважин. Термоисточник выполнен на основе газогенерирующего при сгорании твердого композиционного материала из смеси аммиачной селитры и эпоксидного полимерного горючего. Устройства, в которых используются такие термоисточники, описаны в [3, 4, 5, 6] и состоят из герметичной воздушной камеры с атмосферным давлением, диафрагмы и приемной камеры с размещенным в нем сгораемым твердым композиционным материалом, которую в литературе называют термоисточником [3].

Известный термоисточник [6] включает выполненный из легкого упругопластичного материала корпус, который в основной (второй) части снаряжен из газогенерирующей при сгорании композиции с прочностью, превышающей забойное давление и включающей, мас.%:

Преимуществом этой композиции термоисточника является то, что она является недетонационноспособной (класс опасности 4.1.1), повышающей ее безопасную эксплуатацию, а также возможность формирования из нее основного газогенерирующего при сгорании материала термоисточника с высокой прочностью на сжатие, составляющей 40 МПа. Недостатком композиции, по сравнению с балиститными порохами, применяемыми для гидроразрыва пласта, является их низкая температура горения (990°C), в то время как баллиститные пороха обладают температурой горения около 2200°C, что позволяет им, при прочих равных условиях, создать более высокую энергию и импульс давления для разрыва пласта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является термоисточник для обработки призабойной зоны скважины, сформированный из композиции [7], включающей аммиачную селитру гранулированную марки Б, бихромат калия, эпоксидную смолу марки ЭД-20, пластификатор ЭДОС, отвердитель Агидол марки АФ-2М, при этом в качестве компонентов, повышающих прочность материалов композиции на сжатие и температуры его горения, она дополнительно содержит смесь порошков алюминия дисперсностью не более 50 мкм и азотнокислого бария дисперсностью не более 0,5 мм в следующих соотношениях компонентов композиций, мас.%: аммиачная селитра гранулированная марки Б 52,5-53,0; бихромат калия 2,4-2,5; эпоксидная смола марки ЭД-20 14,3-14,4; пластификатор марки ЭДОС 1,3-1,4; отвердитель Агидол марки АФ-2М 2,1-2,2; алюминий 10,5-10,9 и азотнокислый барий 16,0-16,5. Преимуществом термоисточника для обработки призабойной зоны скважины является то, что он снаряжен композицией, имеющей температуру горения, равную 2360°C, что находится на уровне этого показателя для баллиститных порохов, эффективно используемых в генераторах и аккумуляторах давления для гидроразрыва пласта, другим преимуществом является недетанационность используемых в нем композиций, а также более высокая прочность на сжатие материала композиции (46 МПа).

Недостатком термоисточника-прототипа является то, что из его композиции можно изготовлять газогенерирующий материал только торцевого горения в герметичном корпусе из-за гигроскопичности композиции на основе аммиачной селитры. При этом время сгорания материала торцевого горения в скважинных условиях составляет несколько минут. Для создания высокого и кратковременного импульса для разрыва пласта необходимо формировать материал композиции в виде прессованных шашек с центральными каналами, как и в генераторах и аккумуляторах давления на основе баллиститного пороха, позволяющих увеличить поверхность воспламенения и горения, что существенно уменьшает время горения газогенерирующего материала, так как при наличии канала это время определяется толщиной горящего свода. Формировать газогенерирующий материал термоисточника прессованием в виде шашек с каналами практически однако не представляется возможным из-за высокой адгезионной способности материала к металлу пресс-инструмента, связанной с наличием в композиции высокоадгезионного связующего - эпоксидного компаунда (смеси эпоксидной смолы ЭД-20 с пластификатором и отвердителем). По этой причине композицию термоисточника по способу-прототипу снаряжают непосредственно в корпус термоисточника последовательным уплотнением каждой ее порции ручной набивкой с помощью набивочного инструмента - штока.

В предлагаемом изобретении решается задача усовершенствования термоисточника и газогенерирующего при сгорании материала композиции с целью возможности формирования его прессованием в виде отдельных шашек с центральными каналами, последующего снаряжения их в корпус и функционирования термоисточника в предварительно герметичном виде.

Задача решается тем, что в термоисточнике, включающем выполненный из легкого упругопластического материала корпус, который снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом, состоящим из смеси аммиачной селитры гранулированной марки Б, бихромата калия, алюминиевого порошка марки АСД-4 и азотнокислого бария; воспламенитель, срабатывающий от электрической спирали, и герметизирующие торцы материала газогенерирующей композиции слои из эпоксидного компаунда и герметика на основе тиокола, согласно изобретению газогенерирующий при сгорании композиционный материал термоисточника содержит в эффективном количестве 20% мас. порошкообразную поливинилхлоридную хлорированную смолу марки ПСХ-ЛС при следующем соотношении компонентов композиции, % мас.:

с возможностью формирования композиционного материала прессованием в виде группы шашек с центральными каналами. Образуемый при снаряжении зазор между шашками и корпусом термоисточника заполнен способным к отверждению заливочным раствором, а центральный канал с обоих концов предварительно закрыт прочными цилиндрическими прокладками. При этом термоисточник между воспламенителем и композиционным материалом содержит слой дополнительного воспламенительного состава с возможностью воспламенения его от воспламенителя и воспламенения композиционного материала с торца и по поверхности канала группы шашек.

Предлагаемый термоисточник изображен на фигуре и включает легкий упругопластичный поливинилхлоридный (ПВХ) корпус 1, который снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом в виде группы прессованных шашек с центральными каналами 2. Образуемый при снаряжении зазор между шашками и корпусом термоисточника заполнен способным к отверждению заливочным раствором 3. Центральный канал группы шашек с обоих концов предварительно закрыт прочными цилиндрическими прокладками 4. Между воспламенителем с электрической спиралью 5 и композиционным материалом 2 термоисточник содержит слой дополнительного воспламенительного состава 6, способного воспламеняться от воспламенителя 5 и воспламенять газогенерирующую композицию с торца и по поверхности канала группы шашек. Корпус термоисточника с обоих торцов герметизирован слоями из эпоксидного компаунда 7 и герметика на основе тиокола 8. К корпусу термоисточника в верхней части подсоединен патрубок с окошками 9, заканчивающийся кабельной головкой 10 для подсоединения к кабель-тросу.

Термоисточник работает следующим образом. С помощью подсоединяемого к кабельной головке 10 кабель-троса термоисточник спускают на забой скважины и устанавливают напротив обрабатываемого интервала пласта. С устья скважины через кабель-трос подают электрический импульс на воспламенитель 5, которым воспламеняют дополнительный воспламенительный состав 6. От последнего происходит воспламенение газогенерирующей композиции вначале с торца, за счет чего происходит раскрытие центрального канала. Газообразные продукты горения устремляются в канал, воспламеняя поверхность канала и создавая в нем давление. За счет этого вышибается верхняя прокладка, предварительно закрывающая канал. С этого момента продукты горения вытекают не только снизу канала, но и сверху, проходя через окошки патрубка 9 в ствол скважины. Сгорание группы шашек 2 композиции при этом осуществляется радиально, охватывая последовательно всю толщину горящего свода. Из-за относительно малой толщины горящего свода и соответственно малого времени сгорания этой толщины в интервале обработки создается высокий импульс давления нагретых газообразных продуктов горения, превышающего пластовое давление, что приводит к образованию термогазогидроразрыва пласта с разветвленной сетью трещин вокруг перфорационных каналов.

Возможность формирования композиционного материала термоисточника прессованием в виде группы шашек с центральными каналами в предлагаемом изобретении реализуется путем замены жидкого способного к отверждению эпоксидного компаунда, включающего эпоксидную смолу ЭД-20, пластификатор ЭДОС и отвердитель Агидол и делающего всю композицию не способной к прессованию из-за ее высокой адгезии к металлу прессинструмента, на твердую порошкообразную поливинилхлоридную хлорированную смолу марки ПСХ-ЛС.

Как показали исследования, использование порошкообразной смолы ПСХ-ЛС в эффективном количестве 20% мас. позволяет осуществлять прессование качественных шашек с центральными каналами и гладкими поверхностями при сравнительно низком удельном давлении прессования, равном 100 МПа, и при котором достигается высокая относительная плотность 0,95, а фактическая плотность шашек составляет 1,63 г/см³. Прочность на сжатие предлагаемого композиционного материала равна 47 МПа, что находится на уровне материала композиции-прототипа. Скорость горения материала композиции, определенная в стендовых условиях, имитирующих скважинные условия жидкой среды и давления, составляет 12-14 мм/с в области давления 50-60 МПа, что обеспечивает при толщине горящего свода, равной 25 мм, время его горения около 2 сек, необходимое для создания высокого импульса давления при гидроразрыве пласта. Введение в композицию термоисточника порошкообразной поливинилхлоридной хлорированной смолы обладает также тем преимуществом, что она облегчает операцию смешения компонентов композиции и, не менее важно, является кислотообразующим компонентом с содержанием 64% мае. хлора, способного образовывать при реакции сгорания композиции высокотемпературную и химически высокоактивную соляную кислоту и повысить эффективность обработки скважины.

В связи с тем, что диаметр шашки из композиционного материала меньше внутреннего диаметра корпуса термоисточника, образующийся при снаряжении зазор должен быть заполнен предварительно маловязким, способным при последующем отверждении к переходу в прочный слой, заливочным раствором, чтобы устранить при воздействии скважинного давления возможность растрескивания и нарушения герметичного корпуса термоисточника.

В качестве такого заливочного раствора после предварительной отработки использовался жидкий эпоксидный компаунд в соотношении 76/16/8 его компонентов-эпоксидной смолы ЭД-20, отвердителя Агидол и пластификатора ЭДОС, по вязкости способный свободно заливаться в зазор величиной около 2 мм, а после одних суток отверждаться с величиной прочности на сжатие, равной 107 МПа. Эта величина существенно превосходит значение прочности шашек композиционного материала, равное 47 МПа, что способствует общему повышению прочности термоисточника.

Композиционный материал в корпусе термоисточника должен быть сформирован в герметичном исполнении, поэтому торцевые части его покрыты слоями из способных к отверждению слоями из эпоксидного компаунда и герметика на основе тиокола. В области центрального канала эти герметизирующие слои не способны, однако, выдержать скважинное давление, что может привести к попаданию скважинной жидкости в канал и преждевременному отказу в работе термоисточника. Для предотвращения этого концы центрального канала закрываются прочными металлическими прокладками необходимой толщины, затем поверхность верхней шашки заливается слоем эпоксидного компаунда толщиной 2 мм и после отверждения его наносится слой тиокольного герметика такой же толщины.

В качестве воспламенителя термоисточника обычно применяется состав, включающий, % мас: аммиачную селитру - 70, бихромат калия - 10, эпоксидную смолу (марки ЭД-20) - 13,2, пластификатор марки ЭДОС - 1,6 и отвердитель (марки АФ-2) - 5,2 и срабатывающий от электрической спирали накаливания. Однако, как показали предварительные испытания, из-за трудной воспламеняемости от него композиционного материала шашек и случаев отказа, в предлагаемом изобретении между воспламенителем и композиционным материалом содержится слой дополнительного воспламенительного состава, который способен воспламеняться от воспламенителя и надежно воспламенять газогенерирующую композицию с торца и по поверхности канала группы шашек. В качестве такого дополнительного воспламенительного состава использована смесь, включающая, % мас.: аммиачная селитра - 72, бихромат калия - 3, эпоксидная смола (марки ЭД-20) - 19, пластификатор марки ЭДОС - 1,5 и отвердитель (марки АФ-2) - 4,5.

Работоспособность предлагаемого термоисточника для термогазогидравлического разрыва пласта подтверждена результатами стендовых испытаний на установке, имитирующей скважинные условия. Установка (см. напр. [8]) представляет удлиненный сосуд-скважину высокого давления внутренним диаметром 122 мм, заполненный до определенного уровня водой и герметизированный крышкой. Регулированием высоты воздушного пространства над уровнем воды обеспечивается достижение величины рабочего давления в сосуде, не превышающего допустимое. В корпусе сосуда расположен датчик давления для непрерывной регистрации изменения давления в сосуде во времени.

Для стендовых испытаний использован натурный образец термоисточника, по конструкции соответствующий чертежу фиг.1, диаметром ПВХ корпуса 75 мм, снаряженный композиционным материалом из двух шашек диаметром 64 мм с центральным каналом диаметром 15 мм общей массой 580 г и дополнительным воспламенительным составом массой 150 г и высотой 25 мм. Прокладки из стали, закрывающие центральный канал, имели диаметр 18 мм и толщину 1,2 мм.

Результаты стендовых испытаний образца термоисточника в виде зависимости изменения давления от времени его горения представляет на фигуре 2, которые показывают, что после сгорания слоя медленногорящего дополнительного воспламенительного состава, скорость горения которого в области давлений 1-10 МПа составляет 1,0-1,5 мм/с, основной композиционный материал термоисточника создает в течении 2 сек высокий импульс давления с максимальной величиной 56,7 МПа, достаточный для гидроразрыва пласта. Эти данные подтверждают работоспособность предлагаемого термоисточника в скважинных условиях, основным преимуществом которого является недетонационная способность и высокая безопасность при эксплуатации, перевозке и хранении, по сравнению с используемыми в настоящее время для целей гидроразрыва пласта генераторами и аккумуляторами давления на основе зарядов из баллиститного пороха.

Список использованных источников

1. Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник. Под ред. Л.Я. Фридляндера, 2-ое изд., перераб. и доп. Москва «Недра», 1990, с.10-116.

2. Патент РФ №2242600, кл. Е21В 43/263, опубл. 20.12.2004 г.

3. И.Ф. Садыков и др. Основные результаты разработки и внедрения новых экспресс-технологий термоимплозионной и перфорационно-имплозионной обработки малодебитной скважин. НТВ «Каротажник», г.Тверь; изд. АИС, 2001, вып.86, С.57-60.

4. Патент РФ №2075597, кл. Е21В 43/25, опубл. 20.03.97, Бюл. №8.

5. Патент РФ №2138630, кл. Е21В 43/25, опубл. 27.09.99, Бюл. №27.

6. Патент РФ №2313663, кл. Е21В 43/18, С09К8/70, опубл. 27.12.07, Бюл. №36.

7. Патент РФ №2436827, кл. C09K 8/528, 8/594, опубл. 20.12.2011, Бюл. №35.

8. Патент РФ №2114984, зарег. 10.07.1998.