ГАЗОГЕНЕРАТОР НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ ДЛЯ ТЕРМОГАЗОХИМИЧЕСКОЙ И ВИБРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ СКВАЖИН

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам (газогенераторам), предназначенным для термогазохимической и виброволновой обработок прискважинной зоны пласта (ПЗП), в том числе сопровождающихся гидроразрывом, высокотемпературными газами, выделяющимися при сгорании твердых топливных элементов (ТТЭ). Газогенераторы с такими зарядами могут использоваться в нефтегазовых загрязненных, низкодебитных и осложненных скважинах при интенсификации добычи нефти и газа. Их скрепляют в одну гирлянду специальной оснасткой и на каротажном кабеле опускают в интервал обработки продуктивного пласта. При этом эффективность устройств определяется не только количеством выделяющейся при сгорании ТТЭ энергии, но и временем горения элементов, а также величиной и градиентами давления газов, выделяющихся в зоне горения и воздействующих на ПЗП.

Имеются аналоги заявляемого устройства. Например, известен газогенератор для воздействия на пласт давлением продуктов сгорания твердого топлива [1]. Небронированные заряды этого генератора с высокой начальной поверхностью горения и малой толщиной горящего свода имеют щели в топливной массе или многотрубчатые блочные элементы из смесевого твердого топлива. Он позволяет повысить градиент давления до величины, позволяющей оказывать достаточное воздействие на ПЗП. Однако продолжительность эффективного импульса давления, создаваемого при горении ТТЭ, незначительна. Это ограничивает его использование. Генератор не может создавать серию импульсов на ПЗП, которые расширят и углубят трещины в породах и окажут дополнительное воздействие на ПЗП.

В патенте [2] описан газогенератор с детонационной системой инициирования трубчатых зарядов. Заряды имеют бронепокрытие по боковой поверхности и тонкостенную металлическую трубку в центральном канале. В трубке по всей ее длине проложен детонирующий шнур, соединенный с герметичным взрывным патроном. Этот генератор в течение достаточно короткого промежутка времени создает достаточно высокие давления и многочисленные трещины в породах.

Устройство неспособно индуцировать какие-либо пульсации давления на ПЗП при сгорании ТТЭ, усиливающие эффект воздействия. Возможно также появление остатков бронепокрытия и частей металлической трубки в скважине после сгорания зарядов.

Аналогичный газогенератор приведен в патенте [3]. В данном устройстве имеется одна или несколько групп воспламенительных элементов. Над ними или между ними располагаются ТТЭ с толстостенной металлической трубкой в канале, и их инициирование с последующим горением происходит от продуктов сгорания воспламенительных ТТЭ. Эффективный импульс давления, создаваемый газогенератором, регулируют от единиц до нескольких сотен миллисекунд.

Недостатки рассмотренного генератора те же. К тому же значительная масса металлических частей, оставляемых в скважине после ее обработки, ограничивает использование этого устройства.

Известен также бескорпусной секционный заряд для газодинамического воздействия на пласт [4]. Он включает узел воспламенения и пороховые секции заряда, изготовленные из составов, обеспечивающих горение в водной, водонефтяной и кислотной средах, а также оснастку, состоящую из деталей для сбора пороховых секций заряда, пропущенных через центральный канал каждой пороховой секции, и деталей, обеспечивающих стягивание пороховых секций вплотную друг к другу.

Недостатком аналога является невозможность воздействия на ПЗП импульсами давления, а также наличие значительного количества металлических частей при относительно небольшой массе топлива. ТТЭ имеет недостаточную площадь кольцевого зазора между составной полой штангой и поверхностью канала пороховых секций заряда. При высоких температурах и давлениях продукты сгорания в канале могут разрывать пороховые секции заряда из-за превышения давления в полости ТТЭ над давлением снаружи.

Общим для всех рассмотренных аналогов устройств является то, что они обеспечивают только термогазохимическую и барическую обработки ПЗП. Применительно к нефтегазовым скважинам такие воздействия приводят к образованию в горных породах остаточных трещин, разрушению образовавшихся в процессе предыдущей эксплуатации скважины водонефтяных барьеров, очистки ПЗП от продуктов химической реакции, песчаных и глинистых частиц, расплавлению асфальтосмолопарафиновых отложений. Снижаются также коэффициенты вязкости и поверхностного натяжения нефти на границе с водой.

Однако эффективность обработок скважин можно заметно повысить, если дополнительно осуществить также высокочастотное виброволновое воздействие (ВВВ) на продуктивные пласты. ВВВ сопровождается проникновением упругих волн в ПЗП с выделением внутренней энергии напряженного состояния пород в виде вторичного акустического излучения. Первичные упругие волны в совокупности с этим излучением существенно влияют на эти породы, на физико-химические свойства флюидов и т.п. В конечном итоге образуются дополнительные микротрещины и каналы, снижается степень неоднородности ПЗП, улучшаются фильтрационные характеристики пластовой жидкости, уменьшается вязкость нефти и происходят другие, благоприятные для увеличения добычи нефти процессы.

Устройство для термогазохимической обработки продуктивного пласта, осуществляющее дополнительно и высокочастотное ВВВ, описано в аналоге [5]. Газогенератор, состоящий из устройства для сборки и гирлянды ТТЭ, создает такое воздействие за счет вибрационного режима горения отдельных цилиндрических канальных зарядов. Вибрационный режим сопровождается периодическими волнами давления, возникающими в заполненных жидкостью полостях каналов каждого из них. Эти упругие волны проникают в ПЗП на ближнее расстояние от скважины. При значительной интенсивности ВВВ дополнительно в породах возникает гидроразрыв при более низких давлениях. Он еще больше увеличит притоки нефти за счет создания магистральных каналов по месту перфорационных отверстий в скважине.

Однако устройство не позволяет осуществлять регулируемое низкочастотное ВВВ на пласт, сопровождаемое упругими волнами значительной интенсивности. Эти волны распространяются на более дальние расстояния от скважины. Они также должны усиливать притоки нефти.

Известен аналогичный рассмотренному выше заряд для обработки пласта, состоящий из цилиндра, с расположенным в нем центральным и радиальными сквозными каналами [6]. При его горении также обеспечивается комплексная обработка пласта за счет термогазохимического и виброволнового воздействий на ПЗП. Отличие от предыдущего устройства заключается в том, что дополнительно осуществляется солянокислая обработка, причем соляная кислота получается из самого топлива при взаимодействии имеющегося в продуктах сгорания хлористого водорода с водой.

Заряд, как и предыдущий аналог, не позволяет создать низкочастотную составляющую импульсов давления на ПЗП, которые могут проникать на более дальние расстояния от скважины, увеличивая притоки нефти.

В качестве прототипа выбран газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин [7]. Он включает пороховые трубчатые бронированные заряды и грузонесущий геофизический кабель с элементами крепления конструкции. При этом количество небронированных трубчатых зарядов относительно бронированных определено по формулам.

При горении зарядов, входящих в состав этого газогенератора, 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. При горении зарядов в целом их продолжительность изменяется от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды.

Недостатки прототипа следующие. Частоту пульсаций давления свыше 50 герц при такой конструкции газогенератора получить не представляется возможным. Тем более, что газогенератор не позволяет осуществить высокочастотное ВВВ на ПЗП, например, при частотах свыше одного килогерца. Добавим, что, согласно [8], максимальный отклик ПЗП на воздействие упругими колебаниями с соответствующим увеличением притоков находится, предположительно, в избирательном низкочастотном режиме 20...300 Гц, а значительное увеличение относительной скорости фильтрации жидкости, также связанной с притоками, происходит при наложении волнового поля при частотах 3...10 кГц. Очевидно, что необходимо иметь устройство, создающее интенсивное ВВВ при указанных частотах. Кроме этого, при большом диаметре ТТЭ в скважине могут находиться остатки грузонесущего геофизического кабеля, бронепокрытия и металлических частей конструкции. В целом конструктивное оформление газогенератора громоздкое.

Задачей заявляемого изобретения является разработка газогенератора на твердом топливе для более эффективной термогазохимической и виброволновой обработок скважин при более упрощенной конструкции устройства.

Поставленная задача решается следующим образом. В газогенераторе на твердом топливе для термогазохимической и виброволновой обработки скважин с цилиндрическими пороховыми трубчатыми зарядами, в том числе воспламенительным или воспламенительными, и грузонесущим тросом с элементами крепления конструкции, заряды имеют различные диаметры центральных круглых каналов. Отношение длин всех каналов, или частей длин этих каналов, не соединенных с наружной цилиндрической поверхностью зарядов, например, с помощью поперечных сквозных каналов и/или щелей, к диаметрам указанных каналов равно (20-40):1. Между зарядами и/или в самих зарядах предусмотрены проходы для выпуска продуктов сгорания из каналов зарядов. Проходы представляют собой кольцевые зазоры между зарядами, открывающиеся после начала их горения, и/или сквозные каналы в зарядах. Содержание наполнителя-стабилизатора горения к общей массе заряда составляет не более 1,5%.

Наличие центральных круглых каналов или частей длин этих каналов с несколькими диаметрами (при одинаковых наружных диаметрах) приводит к тому, что достигается поочередное сгорание зарядов при одновременном воспламенении по всем их поверхностям. Именно при таком сгорании ТТЭ, а также при указанных для них соотношениях длин всех каналов или частей длин этих каналов к диаметрам указанных каналов и количестве не более 1,5% стабилизатора горения будет иметь место ВВВ на пласт.

При соотношении длин к диаметрам менее 20 и любом количестве стабилизатора ВВВ не произойдет. При соотношении более 40 заряды будут разрываться из-за запирания потока в канале (давление в канале будет существенно превышать давление снаружи).

Заряд газогенератора может также иметь устройство его инициирования с последующим горением, состоящее из воспламенительного или взрывного в защитной оболочке патрона, в том числе соединенного с детонирующим шнуром, размещенным в канале заряда. Патрон может находиться внизу газогенератора и срабатывать от взрывной машинки.

В качестве ТТЭ газогенератора могут использоваться различные виды баллиститных порохов, в том числе и переделочных артиллерийских, а также смесевые твердые топлива. Для уменьшения вероятности разрушения последних от воздействия распирающих канал продуктов сгорания ТТЭ наружная цилиндрическая поверхность должна быть забронирована.

Одним из элементов крепления грузонесущего троса может являться составная полая штанга, изготовленная из прочного материала. Штанга должна обеспечивать свободный выход продуктов сгорания из канала ТТЭ через кольцевой зазор между ней и поверхностью канала каждого из зарядов. Полость штанги предназначена для монтажа электрических проводов к измерительной аппаратуре и/или к инициатору.

Предлагаемый газогенератор собирается на устье скважины и показан на фиг.1. Он представляет собой гирлянду из верхних и нижних небронированных снаружи канальных воспламенительных зарядов 9 и 14 с соответствующими нагревательными элементами 7 и 15 (нихромовыми проволочками накаливания), расположенных между ними зарядов 12 и 13 с разными диаметрами центральных каналов, и устройства для сборки.

Воспламенительные заряды имеют радиальные сквозные каналы, так как отношение длины канала к его диаметру более 40. Другие заряды, имеющие большие диаметры, - без таких каналов. Монтаж газогенератора осуществляют на грузонесущем тонком стальном тросе 11, покрытом полихлорвиниловой оболочкой с элементами крепления конструкции - втулкой 1, скобой 2, стаканом 3 с болтом 4, верхними и нижними алюминиевыми крышками 5 и 17, верхними и нижними полиэтиленовыми обоймами 6 и 16 и такими же втулками между зарядами 10, стержнем 18 и гайкой с шайбой 19.

Собранный на устье скважины газогенератор опускают в заданный интервал на геофизическом кабеле. Для срабатывания газогенератора по кабелю и подсоединенным к нему электрическим проводам 8 на нагревательные элементы 7 и 15 подают переменный ток 220 В. При этом от раскаленных нихромовых проволочек загораются сначала воспламенительные заряды 9 и 14, а от них сгорающие 12 и 13.

В случае использования патрона и детонирующего шнура также сначала загорается воспламенительный заряд, а затем сгорающие. Воспламенение зарядов во всех случаях происходит практически мгновенно по всем поверхностям и осуществляется параллельными слоями. Исключение может быть только при небольших диаметрах зарядов и малых глубинах скважин, когда движение фронта горения по поверхности зарядов при их воспламенении несколько растянуто во времени.

Горение ТТЭ в комплексе сопровождается повышением давления в скважине. Продукты их сгорания совместно с нагретой скважинной жидкостью и газообразными продуктами ее разложения через перфорационные отверстия проникают в ПЗП.В прилегающих к скважине породах происходит термогазохимическая обработка пласта. Возникновение вибрационного горения зарядов с высокочастотными волнами давления в полостях каналов каждого из них (диапазон частот от килогерц до десятков килогерц) сопровождается проникновением упругих волн, усиливающих воздействие на пласт.

Наличие нескольких зарядов с разными диаметрами каналов способствует увеличению общей продолжительности высокочастотного вибрационного режима горения и соответствующего ВВВ по сравнению с зарядами, имеющими одинаковые диаметры каналов. Это связано с тем, что волны давления, связанные с акустическими волновыми явлениями в полостях каналов ТТЭ, возникают при строго определенных диаметрах этих каналов, которые увеличиваются и достигаются по мере их горения. Одновременно с увеличением продолжительности ВВВ наличие нескольких каналов у ТТЭ газогенератора приводит к общему падению интенсивности волн.

Поочередное сгорание отдельных зарядов с разными диаметрами каналов, сначала с тонким сводом топлива, а затем - с более толстыми, сопровождается резкими падениями давления на фоне общего его повышения. В результате возникают интенсивные пульсации давления (амплитуды до нескольких мегапаскалей, частоты порядка нескольких десятков герц - нескольких сотен герц), которое дополняет ВВВ на ПЗП.

Именно такая совокупность высоких и низких частот обеспечивает более эффективное по сравнению с прототипом комплексное вибровоздействие на ПЗП в ближней к скважине зоне, а также в более дальних областях. Оно способствует возникновению высокотемпературного гидроразрыва ПЗП при более низких уровнях давления. В горных породах и флюидах происходят различного рода изменения, усиливающие притоки.

При этом можно регулировать частотные составляющие ВВВ. Например, если низкочастотную составляющую надо повысить, то берут ТТЭ с небольшими различиями по толщине свода топлива. Если количество импульсов необходимо увеличить, то соответственно возрастает и количество ТТЭ с разными диаметрами каналов.

На фиг.2 показана расчетная кривая давление-время в скважине при горении зарядов с тремя разными диаметрами каналов. Стрелки (три участка) показывают интервалы времени, в течение которого появлялись высокочастотные упругие волны давления максимальной интенсивности, проникающие в пласт.

Для сравнения на фиг.3 приведена достоверная кривая, зарегистрированная при срабатывании газогенератора в скважине с той же массой зарядов, имеющих одинаковые каналы. Участок с высокочастотными упругими волнами обозначен стрелками. Видно увеличение продолжительности высокочастотных режимов горения, а также появление резко выраженных низкочастотных режимов в конце горения зарядов в первом случае.

Одновременно газогенератор более прост в исполнении по сравнению с прототипом. Вместо достаточно толстого грузонесущего кабеля используют тонкий трос, который сгорает от действия высоких температур при горении ТТЭ, не имеющих бронирующих покрытий. Наличие толстого кабеля не позволило бы создать высокочастотного ВВВ, так как он демпфировал бы акустические волны давления, возникающие при вибрационном горении ТТЭ. Сгорают и остальные комплектующие оснастки - небольшие алюминиевые и полиэтиленовые детали. При этом количество твердых остатков от газогенератора в скважине после ее обработки будет значительно меньше по сравнению с прототипом.

Предлагаемую конструкцию газогенератора можно успешно использовать для обработки скважин при различных геолого-технических условиях.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1704513 А1, 5 кл. Е21в 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. С1, МПК 5 С 5/00. Твердотопливный скважинный газогенератор. Крощенко В.Д., Колясов С.М. и др. Заявл. 02.01.90. Опубл. 30.08.94. Бюл. №16.

3. Патент РФ №20047744. С1, МПК 6 Е21В 43/11, 43/26. Устройство для воздействия на пласт. Гайворонский И.Н., Крощенко В.Д. и др. Заявл. 23.03.92. Опубл. 10.11.95. Бюл. №31.

4. Патент РФ №2183740. С 1, МПК⁷ Е21В 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.

5. Патент РФ №2151282. МПК⁷ Е21В 43/45. Устройство для термогазохимической обработки пласта. Пивкин Н.М., Пелых Н.М. и др. Заявл. 08.02.1999. Опубл. 20.06.2000. Бюл. №17.

6. Патент РФ №2176728 МПК⁷ Е21В 43/45, 43/27. Способ обработки продуктивного пласта и заряд. Балдин А.В., Новоселов Н.И. и др. Заявл. 27.12.2000. Опубл. 10.12.2001. Бюл. №34.

7. Патент РФ №2175059 С2, МПК⁷ Е21В 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 - прототип.

8. Дыбленко В.П., Камалов Р.Н. и др. Повышение продуктивности и реанимация скважин с применением виброволнового воздействия. - М.: ООО «Недра Бизнесцентр». 2000. С.14, 20.