ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СКВАЖИН Российский патент 2003 года по МПК E21B43/263 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для механического и теплового воздействия на прискважинную зону пласта.

Известно, что при длительной эксплуатации скважины в прискважинной зоне накапливаются асфальтосмолопарафиновые отложения. Воздействие на такие отложения только давлением не приводит к желаемому результату. В данном случае более эффективным является комплексное воздействие, сочетающее в себе и наличие давления, и так называемую термогазохимическую составляющую. Помимо этого, считается, что эффективность этих мер может быть усилена многократным импульсным воздействием (в волновом режиме) с определенной частотой.

Известны пороховые генераторы давления типа ПГД.БК для разрыва пласта давлением пороховых газов, предназначенные для одновременного механического, теплового и химического воздействия пороховых газов на горные породы, насыщающие их флюиды и твердые отложения в прискважинной зоне. Они выполнены, в основном, в бескорпусном варианте и содержат кабельную головку, пороховой заряд, пусковой пиротехнический воспламенитель, установленный по оси заряда, уплотнение и наконечник.

Заряды пороха имеют диаметры от 42 до 102 мм, имея на 0,5 метра длины массу заряда от 1,1 до 16 кг [1, 2].

В большинстве случаев пороховые генераторы опускаются по внутреннему диаметру обсадной колонны на глубину до 6000 м, а для случая работы без подъема насосно-компрессорных труб применяются пороховые заряды минимально возможной массы (1,1-1,7 кг) на 0,5 м длины и диаметром (42-50 мм).

Среди недостатков известных пороховых газогенераторов отметим воздействие на прискважинную зону в основном только импульса давления, и в меньшей степени теплового воздействия, что обусловлено составом продуктов горения, а также сложность конструкции газогенераторов в силу наличия различных переходных воспламенителей и замедлителей и связанную с этим недостаточную надежность их работы
В качестве прототипа выбран импульсный генератор давления (ИГД) для скважин [3] , предназначенный для термомеханической обработки прискважинной зоны пластов, в котором корпус выполнен из трубок с радиальными отверстиями, в трубках расположены пороховые заряды, которые задействуются поджигающим устройством. Перфорированные трубки корпуса соединены между собой муфтой.

Перфорированные трубки с зарядами расположены друг от друга на расстоянии не менее их диаметра, а между ними в осевом канале муфты установлено устройство передачи воспламенения в виде малогазовых зарядов-замедлителей с заданным временем горения, зависящим от их длины. Расстояние между пороховыми зарядами должно быть равно или превышать их диаметр, в противном случае происходит воспламенение этих зарядов друг от друга без задержки.

Недостатками прототипа являются:
- недостаточно высокая энергоемкость порохового заряда и недостаточно эффективное тепловое воздействие на призабойную зону, обусловленное составом продуктов горения;
- наличие специальных замедлителей, обеспечивающих последовательность импульсов срабатывания порохового заряда, усложняющих конструкцию и снижающих надежность работы генератора.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно увеличение эффективности воздействия на прискважинную зону пласта и повышение надежности работы генератора давления при сохранении наружных габаритов генератора.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого устройства, заключается в следующем:
- обеспечивается высокая эффективность работы генератора при небольших габаритах устройства за счет использования высококалорийного пиротехнического состава;
- повышается эффективность воздействия на прискважинную зону пласта за счет двух последовательных импульсов давления, обусловленных характером горения пиротехнического состава и составом продуктов горения, реализующихся в свою очередь в волновом режиме с определенной частотой;
- достигается экономичность устройства за счет сохранности корпуса и многократности его использования;
- повышается надежность его работы за счет изъятия промежуточного элемента-замедлителя.

Для достижения указанного технического результата в импульсном генераторе давления для скважин, содержащем перфорированный корпус с расположенными в нем последовательно вдоль оси твердотопливными зарядами и поджигающим устройством, согласно изобретению твердотопливные заряды выполнены из высококалорийного пиротехнического состава, образующего высокотемпературные продукты горения, взаимодействующие со скважинной жидкостью и твердыми отложениями прискважинной зоны.

Твердотопливные заряды помещены в герметичные оболочки из материала с температурой плавления (Т_пл.) ниже температуры горения (Т_гор.) пиротехнического состава и контактируют торцами друг с другом. Торцы зарядов выполнены с выступами, а место контакта герметизировано.

Выделяющиеся при горении пиротехнического состава высокотемпературные продукты горения (2700^oС) создают в прискважинной зоне пласта два последовательных импульса давления.

Первый импульс давления образуется за счет газовой фазы, выделяющейся при горении пиротехнического состава в условиях скважины (высокое давление и температура), а второй импульс давления отвечает взаимодействию высокотемпературных шлаков пиротехнического состава с прискважинной жидкостью и твердыми отложениями с образованием газопарофазной среды.

Два последовательных импульса давления способны не только эффективно разрушать асфальтосмолопарафиновые отложения, но и образовывать дополнительно трещины в нефтеносных пластах. Одновременно с этим идет процесс термогазохимического воздействия продуктов горения на призабойную зону скважины.

Для обеспечения надежности работы генератора в условиях повышенного давления жидкости и температуры (Т~170^oС, Р~80 МПа) заряды из пиротехнического состава располагаются в герметичных чехлах из металлов или полимеров.

Особо следует отметить, что помимо импульсного выделения энергии вследствие горения пиротехнического состава в условиях повышенного давления и температуры в скважине имеет место также механизм импульсного режима срабатывания самих зарядов (модулей), составляющих генератор, за счет задержки, обусловленной временем разрушения материала оболочек. При этом толщина оболочек позволяет регулировать частоту циклов.

Для обеспечения надежности передачи инициирующего импульса от заряда к заряду место контакта зарядов герметизируется с помощью уплотнения.

Для сохранения габаритных характеристик генератора (в частности, наружного диаметра) та часть заряда, где установлено герметизирующее уплотнение, имеет меньший диаметр, за счет чего образуется выемка в месте соединения зарядов, по поверхности которой реализуется уплотнение.

Уменьшение диаметра зарядов на их стыке примерно равно толщине герметизирующего уплотнительного кольца.

На фиг.1 представлен общий вид импульсного генератора давления; на фиг. 1а - узел "А"; на фиг.2 представлен вид характерной осциллограммы срабатывания фрагмента заряда модуля предлагаемого генератора давления ИГД-20 (кривая 1 - пороховой генератор давления, кривая 2 - заявляемый генератор давления с зарядом из высококалорийного пиротехнического состава).

Заявляемое устройство содержит:
1 - головка генератора давления;
2 - поджигающее устройство;
3 - стальной корпус;
4 - отверстия в корпусе;
5 - концевик с поджимающей пружиной;
6 - пиротехнические заряды;
7 - герметизирующую оболочку;
8 - центрирующие пружины;
9 - вкладыши;
10 - герметизирующую прокладку;
11 - уплотнительное кольцо.

Спуск ИГД в скважину осуществляется на геофизическом кабеле. Импульсный генератор давления содержит заряд 6 из высококалорийного пиротехнического состава, который помещен в герметичную оболочку 7 из легкоплавкого материала, поджигающее устройство 2, заключенное в неразрушаемый корпус 3 с продольными отверстиями 4, обеспечивающими выход продуктов горения в прискважинную зону пласта. Поджатие торцев зарядов 6 к поджигающему устройству 2 и между собой осуществляется набором вкладышей 9 и пружиной, упирающейся с одной стороны во вкладыши 9, а с другой в концевик 5, скрепленный с корпусом 3 резьбовым соединением. Головка 1 ИГД содержит закрепленный в ней геофизический кабель, по которому подается токовый импульс для задействования электровоспламенителя в поджигающем устройстве 2. Место контакта пиротехнических зарядов 6 герметизируется прокладкой 10 и уплотнительным кольцом 11. Между внутренней поверхностью корпуса ИГД и пиротехническими зарядами 6 в месте их герметизации установлены центрирующие пружины 8.

ИГД работает следующим образом. После спуска генератора в скважину по кабелю подают электрический импульс на поджигающее устройство 2, которое воспламеняет первый пиротехнический заряд 6, горение от которого передается к следующему заряду (от первого ко второму, от второго к третьему и т.д.). Газообразные продукты горения высококалорийного пиротехнического состава, выделяясь из корпуса 3 через отверстия 4, в жидкости скважины создают импульс давления и воздействуют на забитые перфорационные каналы. Затем выделенное тепло и нерастворимые частицы в продуктах горения часть жидкости переводят в пар, который создает второй импульс давления в скважине, растянутый во времени. Продукты горения пиротехнического состава, обладающие высокой температурой, и образующийся пар эффективно расплавляют асфальтосмолопарафиновые отложения за счет передачи тепла пластовой жидкости твердым отложениям и породам, снижают вязкость нефти, восстанавливают фильтрационные свойства в прискважинной зоне пласта.

Особенность воздействия высокотемпературных продуктов горения пиротехнического состава заключается в том, что в газовом пузыре кроме газов содержатся также перегретые пары солей и оксидов. Расширяясь, пузырь генерирует в скважинной жидкости плавную волну сжатия и в дальнейшем оказывает квазистатическое давление. Наличие нерастворимых оксидов замедляет процесс теплообмена, при этом доля энерговыделения, перешедшая в кинетическую энергию жидкости, соответственно возрастает, и энерговыделение пиротехнического состава не уступает по эффективности пороху.

В таблице приведены сравнительные характеристики заявляемого импульсного генератора давления и промышленного порохового генератора ПГД170МТ.

Сравнительные характеристики заявляемого генератора давления и промышленного порохового генератора давления ПГД170МТ.

В заявляемом генераторе давления используется пиротехнический состав, который имеет удельную калорийность, в 1,75 раз большую, чем порох, применяемый в ПГД170МТ, что позволило в неразрушаемом корпусе диаметром 42 мм расположить заряд диаметром до 30 мм, с калорийностью до Q=1,25•10³ккал (в ПГД170МТ -0,89•10³ккал) на 0,5 м длины.

Наиболее перспективным следует считать источник давления ИГД-30; его энергетика превосходит пороховой генератор ПГД170МТ в 1,4 раза. Наличие двух импульсов давления и их различная длительность, а также осуществление их в волновом режиме позволяет сделать вывод о более эффективном воздействии продуктов горения пиротехнического состава на призабойную зону пласта, при котором должны разрушаться не только асфальтосмолопарафиновые пробки в перфорационных каналах, но и создаваться более проницаемая структура продуктивного пласта.

ИГД защищен от воздействия блуждающих токов промышленной частоты и зарядов статического электричества до 20 кВ.

Модель ИГД-20 (1 модуль, длиной 0,5 м) прошла лабораторные испытания и показала практическую работоспособность. На фиг.2 представлен вид характерной осциллограммы срабатывания фрагмента заряда модуля генератора давления ИГД-20. Срабатывание производилось на стенде, имитирующем условия скважины. Давление измерялось с помощью датчика с регистрацией процесса на светолучевом осциллографе. Первый пик давления обусловлен импульсным выделением энергии при горении пиротехнического состава под давлением (условия скважины), второй пик давления, растянутый во времени, обусловлен взаимодействием высокотемпературных продуктов горения с имитатором скважинной жидкости - 20% раствором хлорида натрия.

Применение стального корпуса в ИГД с продольными отверстиями, площадь которых составляет не менее 30% от наружной поверхности корпуса, обеспечивает свободный выход продуктов горения в прискважинную зону пласта, его сохранность после срабатывания и многократность его использования.

Источники информации
1. Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник под ред. Л.Я. Фридляндера. - М.: Недра, 1983, с.61.

2. Краткий справочник по прострелочно-взрывным работам под ред. Н.Г. Григоряна. - М.: Недра, 1990, с. 103.

3. А.М. Дуванов, А.А. Михайлов, С.М. Колясов, В.Д. Крощенко, С.В. Гошовский, Г. И. Сухоруков. Импульсный генератор давления для скважин. Авт. св. СССР, 1711516, МКИ Е 21 В 43/25, публ. 27. 08. 95, БИ 24.

Использование: изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для механического и теплового воздействия продуктов горения пиротехнического состава на пласт, заключающегося в расплавлении асфальтосмолопарафиновых отложений и снижении вязкости нефти в прискважинной зоне пласта. Обеспечивает увеличение эффективности воздействия на прискважинную зону пласта и повышение надежности работы устройства при сохранении наружных габаритов генератора. Сущность изобретения: импульсный генератор давления для скважин содержит перфорированный корпус с расположенными в нем последовательно вдоль оси твердотопливными зарядами и поджигающим устройством. Твердотопливные заряды выполнены из высококалорийного пиротехнического состава, образующего в условиях скважины высокотемпературные продукты горения, взаимодействующие со скважинной жидкостью и твердыми отложениями прискважинной зоны и содержащие нерастворимые оксиды, замедляющие процесс теплообмена в скважине и образующие газопарофазную среду с созданием растянутого во времени импульса давления. Твердотопливные заряды помещены в герметичные оболочки из материала с температурой плавления ниже температуры горения пиротехнического состава. Они установлены торцами в контакте друг с другом. Торцы пиротехнических зарядов выполнены с выступами и герметизацией места контакта. 2 ил., 1 табл.

Импульсный генератор давления для скважин, содержащий перфорированный корпус с расположенными в нем последовательно вдоль оси твердотопливными зарядами и поджигающим устройством, отличающийся тем, что твердотопливные заряды выполнены из высококалорийного пиротехнического состава, образующего высокотемпературные продукты горения, взаимодействующие со скважинной жидкостью и твердыми отложениями прискважинной зоны и содержащие нерастворимые оксиды, замедляющие процесс теплообмена в скважине и образующие газопарофазную среду с созданием растянутого во времени импульса давления, при этом твердотопливные заряды помещены в герметичные оболочки из материала с температурой плавления ниже температуры горения пиротехнического состава и установлены в контакте друг с другом торцами, которые выполнены с выступами и герметизацией места контакта.