СКВАЖИННЫЙ ЦИКЛИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ СЖАТИЯ И СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПРОДУКТИВНОГО ПЛАСТА

Предложенное изобретение относится к нефтегазовой области и области разведки и добычи водных ресурсов, в частности к средствам интенсификации притока жидкости к скважинам, например нефтяным, для увеличения добычи, индекса продуктивности и коэффициента отдачи. Предлагаемое устройство и способ направлены на увеличение проницаемости продуктивного пласта за счет создания сети микротрещин в призабойной зоне пласта (ПЗП) и позволяют, тем самым, увеличить приток нефти или других жидкостей из пласта в скважину.

Предложен циклический генератор импульсов сжатия для внутрискважинного применения на основе зарядов, состоящих из последовательно сгорающих слоев смесей с различными скоростями горения. В качестве смесевых композиций предлагается использовать смеси на основе твердого горючего, твердого окислителя и функциональной добавки жидкого углеводорода с насыпной плотностью заряжания.

Известны традиционные способы обработки ПЗП - кислотная обработка, гидроразрыв пласта (ГРП) - основанные на закачке под давлением больших объемов жидкости в скважину.

Предложенный способ и устройство относятся к импульсному способу воздействия на пласт и направлены на создание множественных трещин в ПЗП. Этот способ может использоваться как самостоятельный вид обработки, так и совместно с ранее известными, например данный метод может рассматриваться как стадия, предваряющая ГРП.

Разработанная модель виброрастрескивания пласта показывает, что при воздействии на пласт импульсами сжатия высокой частоты и амплитуды, предпочтительно в десятки мегапаскалей, возможно образование множественных трещин в областях, примыкающих к скважине, а также, при наличии у скважины трещины, и в областях, примыкающих и радиально расходящихся от трещины. Однако известные в настоящее время механические устройства не позволяют создавать импульсы давления требуемых характеристик по частоте и амплитуде, необходимые для практической реализации данной модели.

С другой стороны, как показывают исследования [2-3], даже без организации циклического режима могут формироваться множественные радиально ориентированные от скважины трещины при величинах темпа роста давления более 10⁴ МПа/с.

Таким образом, разработка импульсных методов воздействия на ПЗП требует поиска такой конструкции генератора импульсов давления, который бы сочетал возможности циклического генерирования серий импульсов и варьирования их амплитудно-временных параметров при сохранении мощности воздействия.

В качестве источника для получения импульсов давления требуемых характеристик предлагается процесс горения смесей на основе твердого горючего и твердого окислителя, представляющего интерес с точки зрения:

(а) возможности организации пульсирующего режима сгорания заряда путем влияния на скорость его горения следующих параметров: пористости смеси (чередование прослоек разной плотности), размера частиц топлива и окислителя, состава смеси прослоек, наличия функциональных добавок (например, нитрометана, керосина и т.п.);

(б) высокой энергетики состава при наличии металлических частиц горючего (например, алюминия), следовательно, обеспечивающей компактность заряда.

(в) возможности варьировать амплитудно-временные характеристики импульса, а также его локализацию в окружающем пространстве за счет выбора частично водореагирующего заряда, например, заданием богатой смеси, промежуточные продукты которой смогут дореагировать при выходе и распространении струи в скважину, заполненную жидкостью;

(г) «мягкого» воздействия на скважину без разрушения ее целостности и уплотнений породы пласта.

Как известно, взрывчатые вещества, в общем случае, могут реагировать в двух режимах:

- в сверхзвуковом режиме распространяется детонационная волна, представляющая собой комплекс из волны горения и предшествующей ей сильной ударной волны. Скорость детонационной волны, составляющая порядка нескольких километров в секунду, ограничена энерговыделением реагирующего материала;

- в дозвуковом режиме распространяется дефлаграционная волна. Ее скорость, составляющая порядка нескольких сантиметров в секунду, ограничена процессами тепло- и/или массопереноса.

В заявленном способе предлагается использовать неидеальный режим сгорания заряда, близкий к дозвуковому режиму горения, но позволяющий локально генерировать сильные ударные волны. Благодаря присущим физико-химическим свойствам смесевые заряды горят в так называемом конвективном режиме горения.

Конвективное горение - это особый вид горения, присущий пористым энергетическим материалам. Он осуществляется благодаря конвективной передаче тепла от продуктов горения, а именно: продукты горения проникают по порам вглубь заряда и обеспечивают нагрев и поджигание энергетического материала на поверхности пор [3-6].

Отличительной чертой конвективного горения является тот факт, что скорость распространяющейся волны горения может варьироваться в широком диапазоне от нескольких метров в секунду до сотен метров в секунду и зависит от следующих параметров:

- свойств отдельных компонентов смеси (энергосодержания, температуры воспламенения частиц, размера частиц и т.д.);

- свойств заряда (геометрии, смесевой композиции, пористости, наличия неоднородностей и прослоек в заряде и т.п.);

- начальных условий (температуры, давления).

Возможность как управления конвективным горением, так и получения достаточно воспроизводимых характеристик в желательных диапазонах скоростей и давлений была показана в [6-7]. Таким образом, по своим свойствам конвективное горение представляется весьма привлекательным для использования в различного рода устройствах генерации импульсов.

Кроме того, следует отметить, что до настоящего времени экспериментальные исследования проводились только на пороховых системах без добавки металлического горючего (например, алюминия), либо в режиме одиночного импульса.

В качестве предпочтительных смесевых композиций для заявленной конструкции циклического генератора импульсов сжатия предлагается использование смесей на основе твердого горючего и твердого окислителя, например зарядов на основе порошка алюминия, нитрата или перхлората аммония с добавкой керосина или нитрометана, также могут использоваться смеси с другим топливом вместо металлического, например порошок угля, порошок полиметилметакрилата (ПММА).

Принципиальная возможность реализации конвективного горения смесей на основе перхлората аммония и алюминия подтверждена экспериментальной работой [7], выполненной с использованием манометрической камеры и освещающей, в основном, условия возникновения и развития конвективного горения в данной смеси.

Результаты обзора интеллектуальной собственности в отношении состава взрывчатых веществ показывают, что композиции на основе смеси металлического горючего и окислителя перхлоратного типа известны и используются в нефтегазовой промышленности.

Известен взрывчатый состав, содержащий окислитель перхлоратного типа, горючее и бризантное взрывчатое вещество, где в качестве горючего используют органическое невзрывчатое горючее и металлическое горючее (RU 2215725).

Известен взрывчатый состав для скважин, состоящий из окислителя, гексогена и горючего, где в качестве окислителя используют перхлорат аммония (ПХА), а в качестве горючего - порошкообразный алюминий и графит (RU 2190585).

Однако оба взрывчатых состава применимы для единичного взрыва и не позволяют реализовать режим горения с «мягким» воздействием на скважину без разрушения ее целостности и уплотнений породы пласта. Кроме того, отсутствие информации об устройстве не позволяет судить о возможности организации пульсирующего горения.

Известны различные конструкции твердотопливных газогенераторов, направленные на формирование трещин пласта. Ряд патентов описывают газогенераторы с использованием гранулированных порохов и твердых ракетных топлив, заряды которых размещаются преимущественно в устройствах корпусного типа. При этом сами генераторы создают быстрый единичный импульс давления, формирующий множество коротких трещин в пласте или одну трещину в зависимости от скорости нарастания давления (RU 2275500, RU 2103493, SU 912918, RU 2175059, SU 1574799, US 5295545, US 3174545, US 3422760, US 3090436, US 4530396, US 4683943, US 5005641). Однако в указанных патентах не представлены устройство и базовый состав смеси, реализующие способ организации пульсирующего горения.

Следует отметить, что в патентах US 3422760, RU 2204706 описаны устройства, производящие пульсирующее действие благодаря последовательному сжиганию нескольких отдельных зарядов. В патенте US 4530396 описывается устройство, состоящее из двух зарядов различной скорости сгорания. Патенты RU 2018508, RU 2047744, RU 933959, RU 2175059 описывают различные генераторы бескорпусного типа, использующие твердотопливные цилиндрические заряды и опускаемые в скважину при помощи геофизического кабеля или троса.

В ряде указанных патентов результатом сжигания одиночных зарядов является пульсирующее изменение давления в зоне обработки вследствие инерционных свойств скважинной жидкости и свойства пороховых зарядов увеличивать интенсивность горения с ростом давления и уменьшать ее с падением давления. Однако ни одна из рассмотренных конструкций не подразумевает создания циклических импульсов давления за счет варьирования скорости горения расположением слоев разной пористости, где реализуется не последовательность взрывов отдельных зарядов, а процесс конвективного горения слоев, протекающий поочередно с заранее выбранными скоростями.

Целью предложенного изобретения является создание устройства и способа импульсной обработки пласта, позволяющих осуществлять локализованное в пространстве «мягкое» воздействие на пласт без разрушения целостности скважины и уплотнений породы пласта и тем самым увеличить проницаемость прискважинной зоны.

Поставленная цель достигается тем, что устройство представляет собой скважинный циклический генератор импульсов сжатия, состоящий из корпуса с открытым торцем, последовательно расположенных внутри него слоев смеси, включающей твердое горючее и твердый окислитель с насыпной скоростью заряжания, образующих заряд, и капсюля-воспламенителя, расположенного у открытого торца корпуса, при этом слои смеси имеют различную пористость и возможность реализации ими конвективного горения с различной скоростью. В качестве смесевых композиций использованы смеси на основе твердого горючего, твердого окислителя и функциональной добавки жидкого углеводорода с насыпной плотностью заряжания.

Увеличение проницаемости прискваженной зоны достигается за счет создания сетки трещин и восстановления фильтрационных свойств прискважинной зоны.

Схема циклического генератора импульсов сжатия и его расположение в процессе применения представлены на чертеже, где 1 - окончание колонны насосно-компрессорных труб, 2 - щели для закачки, 3 - корпус инжектора, 4 - слой медленногорящего состава, 5 - слой быстрогорящего состава, 6 - место инициирования заряда капсюлем-воспламенителем.

Работа устройства осуществляется следующим образом. К окончанию колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) 1, которая в общем случае снабжена щелями 2 для операций закачки, крепится цилиндрический инжектор 3, закрытый со стороны крепления к НКТ и открытый с другой стороны. Во внутренней полости инжектора размещен заряд, состоящий из чередующихся слоев медленно 4 и быстро 5 горящих составов. При инициирование заряда с открытого торца 6 чередующиеся прослойки 4 и 5 сгорают поочередно. Струи горячих продуктов сгорания, истекая и взаимодействуя со скважинной жидкостью, создают минимумы и максимумы давления на выходе генератора.

Инициирующее устройство (капсюль-воспламенитель) может быть любого типа: реагирующее на подъем давления, либо с предустановленным замедлением, либо дистанционно управляемое с поверхности посредством геофизического кабеля. В качестве смесевых композиций предлагается использовать смеси на основе твердого горючего, твердого окислителя и функциональной добавки жидкого углеводорода с насыпной плотностью заряжания.

Для некоторых твердых смесевых композиций также может реализовываться режим низкоскоростной детонации - частный случай предетонационного процесса. В отличие от горения низкоскоростная детонация - волновой процесс с малой долей разложения вещества непосредственно за фронтом волны сжатия, характеризуемый более низкими давлениями и скоростями распространения, чем при детонации Чепмена-Жуге. Таким образом, чередование слоев, реализующих конвективный режим горения, со слоями, реализующими режим низкоскоростной детонации, создает особый тип воздействия на пласт.

Известно, что твердые смесевые композиции имеют свойство детонировать в небольших объемах, что нежелательно. Поэтому в заявленном устройстве детонационная стойкость твердых смесевых композиций повышена за счет введения дополнительного компонента - жидкости с высокой смачивающей способностью с целью закрытия пор и снижения газопроницаемости состава. Для этой цели может быть использован как пассивный компонент, например керосин, так и активный, например нитрометан, являющийся монотопливом с небольшим положительным кислородным балансом.

Заявленный способ увеличения проницаемости продуктивного пласта реализуется следующим образом: внутри скважины размещают генератор импульсов сжатия с одним или более зарядами из последовательно расположенных внутри него слоев смеси, включающей твердое горючее и твердый окислитель с насыпной скоростью заряжания, имеющих различную пористость, и обеспечивают после поджига зарядов последовательное конвективное горение их слоев с созданием последовательно чередующихся импульсов сжатия.

Таким образом, физическая сущность воздействия состоит в том, что механическое воздействие осуществляется благодаря чередованию двух этапов. На первом этапе при сгорании быстро горящего состава создается импульс давления с крутым фронтом большой амплитуды. Величина максимального давления превосходит давление разрыва пласта. В этом случае в пласте будет образовываться сетка мелких трещин. На втором этапе, благодаря охлаждению продуктов сгорания, происходит сокращение и схлопывание газового пузыря, сопровождающееся резким падением давления. Распространяясь в прискважинной зоне пласта, чередующиеся волны сжатия-разгрузки разрушают кольматирующие образования, производят очистку перфорационных каналов, увеличивая тем самым проницаемость прискважинной зоны.

Тепловое воздействие продуктов горения состоит в растворении высокомолекулярных отложений парафина, асфальтенов и смолистых веществ и снижении вязкости нефти в прискважинной зоне пласта путем передачи тепла от газообразных продуктов горения, температура которых может достигать 4800K.

Физико-химическое воздействие на пласт продуктов горения проявляется в снижении коэффициентов вязкости и поверхностного натяжения нефти на границе с водой, частичном растворении карбонатов и пластового цемента. При снижении давления в скважине и его пульсации происходит очистка трещин и перфорационных каналов от песчано-глинистых частиц и продуктов реакции.

Предложенные устройство и способ генерирования импульсов сжатия позволяют варьировать их амплитудно-временные характеристики. Скорость горения слоев регулируется либо пористостью смеси - добавкой жидкого углеводорода, заполняющего поры смеси, либо составом смеси, либо размером частиц топлива и окислителя, либо геометрией (в частности, толщиной и диаметром) прослоек.

По результатам геофизических исследований в продуктивном пласте устанавливают интервалы обработки. При использовании генератора в качестве самостоятельной обработки его спуск и подъем в интервал перфорации осуществляют каротажным подъемником на геофизическом кабеле. В случае, если планируется последующая кислотная обработка или ГРП, спуск и подъем генератора к обрабатываемому интервалу осуществляют сквозь НКТ, например, при помощи гибкой НКТ (ГНКТ) либо крепят генератор к торцу спускаемой НКТ, как показано на чертеже.

Для получения требуемых характеристик длительности и скважности чередующихся импульсов выбирают массу медленно и быстрогорящих прослоек на основе манометрических опытов. Например, в условиях манометрической бомбы сжигают сборки из нескольких слоев с различной скоростью горения, строят зависимость «давление-время» и, если при росте давления возникнут отклонения от планируемой формы/длительности/скважности импульсов, корректируют соотношение масс прослоек, концентраций отдельных компонентов смеси или пористости составов быстро и медленно горящих прослоек. В случае необходимости получения зависимости «давление-время» для большего количества прослоек повторяют опыт с начальным давлением в камере, соответствующим конечному давлению при сгорании последней прослойки в предыдущем опыте.

В качестве базовой смеси для реализации заявленного способа предлагается использовать смесь алюминиевой пудры и частиц перхлората или нитрата аммония размером 90-120 мкм с добавкой нитрометана или керосина (5-40%). Соотношение твердых горючего и окислителя - близкое к стехиометрическому. Также могут рассматриваться смеси с другим топливом, где вместо металлического используют порошок угля или порошок полиметилметакрилата.

Источники информации

1. Pioneering new concepts in wireline conveyed stimulation and surveillance. Hi Tech natural resources, Inc, 1991.

2. Swift R.P., Kusubov A.S., Multiple Fracturing of Boreholes By Using Tailored-pulse Loading. SPE Journal, 1982, № 12, pp.923-932.

3. Беляев А.Ф., Боболев В.К и др. Переход горения конденсированный систем во взрыв. Наука, Москва, 1973.

4. Sulimov A.A., Ermolaev B.S. // Chem. Phys. Reports, 1997, V.16(9), p.1573-1601.

5. Сулимов A.A., Ермолаев Б.С. и др. Физика горения и взрыва, 1987, № 6, стр.9-16.

6. Беликов Е.П., Храповский И.Е., Ермолаев Б.С., Сулимов A.A. Физика горения и взрыва, 1990, V.26, № 4, р.101.

7. Ермолаев B.C., Сулимов A.A., Беляев A.A. и др. Химическая физика, 2001, т.20, № 1, стр.84.