ГАЗОГЕНЕРАТОР НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ ДЛЯ СКВАЖИНЫ Российский патент 2004 года по МПК E21B43/263 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разрыва и термогазохимической обработки нефтегазоносных пластов пороховыми газами для улучшения гидродинамической связи скважины с пластом.

Изобретение относится к устройствам, использующим энергию горения твердых взрывчатых материалов (топлив).

Известен генератор на твердом топливе для скважины, включающий трубчатые пороховые заряды, воспламенитель, размещенный в канале одного из зарядов, пороховые шашки, размещенные в каналах остальных зарядов, и несущий трос в канале зарядов (см., например, RU 933959, 07.06.1982).

Недостатком устройства является малая скорость нарастания давления (до 10² МПа·с), из-за чего количество создаваемых в пласте трещин не превышает двух. Поэтому в пластах с низкопроницаемыми и сложнопостроенными коллекторами существенного эффекта от применения этого устройства трудно ожидать.

Известен также генератор на твердом топливе, включающий трубчатые пороховые заряды, в канале которых размещен детонирующий шнур для увеличения скорости нарастания давления (см., например, RU 2018508, 30.08.1994).

Недостатком этого устройства является малая продолжительность эффективного импульса давления и невозможность подрыва большого количества зарядов из-за опасности повреждения обсадной колонны.

Техническим результатом изобретения является создание устройства, обеспечивающего образование длительного импульса давления с высокой скоростью нагружения пород с образованием в прискважинной и удаленной зонах пласта многочисленных протяженных и разветвленных трещин, не смыкающихся после снятия нагрузки.

Количество, протяженность и степень разветвления трещин определяют увеличение продуктивности добывающих скважин или степень приемистости нагнетательных скважин, особенно при низкопроницаемых пластах, для которых свойственны большие зоны (радиусы) кольматации.

Необходимый технический результат достигается тем, что газогенератор на твердом топливе для скважины включает сборку зарядов, средство воспламенения зарядов, грузонесущий кабель для доставки газогенератора в скважину и узел крепления газогенератора к грузонесущему кабелю, при этом сборка зарядов содержит первую группу зарядов или один заряд с объемом и динамикой газовыделения при горении, обеспечивающими создание импульса давления в скважине на глубине работы газогенератора величиной, превышающей горное давление при скорости нарастания импульса давления не менее 10³ МПа·с, и вторую группу зарядов или один заряд с меньшей динамикой и большим объемом газовыделения, в сравнении с зарядами первой группы, обеспечивающими создание вторичного фронта давления величиной не менее 0,7 величины первого импульса давления и в течение времени, превышающем время действия первого импульса давления в 3-15 раз.

Кроме того, сборка зарядов выполнена из трубчатых зарядов с осевым каналом, первая группа зарядов или один заряд размещены в скважине в нижней части сборки зарядов и изготовлены из смесевого твердого топлива, при этом вторая группа зарядов или один заряд размещены в верхней части сборки зарядов и изготовлены из баллиститного и/или смесевого твердого топлива, вторая группа зарядов или один заряд превышают по массе в 2-4 раза первую группу зарядов или один заряд, первая группа зарядов выполнена с возможностью перекрытия по меньшей мере 1/5 части интервала перфорации скважины, средство воспламенения зарядов выполнено в виде отрезков детонирующего и огнепроводного шнуров, расположенных в осевом канале сборки зарядов и сочлененных между собой с помощью стыковочного узла, при этом детонирующий шнур установлен с возможностью воспламенения зарядов первой группы, а огнепроводный шнур - зарядов второй группы, стыковочный узел размещен с возможностью задержки начала воспламенения зарядов второй группы в зависимости от места его расположения по длине внутреннего канала последнего заряда первой группы, в качестве огнепроводного шнура принят детонирующий шнур изготовленный с применением пластитных составов без наружной оболочки.

Сущность изобретения заключается в увеличении длительности эффективно действующего избыточного давления газов газогенератора. При этом учитывается, что чрезмерно высокое избыточное давление вызывает разрушение обсадной колонны и цементного камня в заколонном пространстве. В соответствии с изобретением предусмотрено воздействие на массив горной породы, в частности на породы продуктивного пласта, давлением газов газогенератора в два этапа с разной динамикой и объемами газовыделения. Под действием первого импульса давления, определяемого заданной скоростью газовыделения зарядами первой группы, создают напряженное состояние в пласте с образованием многочисленных микротрещин и расширением естественных трещин. Особенностью этого этапа, при малой длительности давления, является то, что трещины на этом этапе характеризуются малой их протяженностью и, как правило, в пределах зоны кольматации скважины. При этом массив породы, подвергшийся такому воздействию на этом этапе, аккумулирует энергию и находится в критическом напряженном состоянии. Последующее воздействие на тот же массив породы в его критическом состоянии фронтом давления с качественно иной динамикой воздействия приводит к значительному усилению процессов трещинообразования с увеличением протяженности трещин за пределы зоны кольматации и увеличением степени их разветвленности. Это показали лабораторные исследования и натурные испытания таких газогенераторов в условиях скважин. Особое значение при этом имеет величина уровня повторного фронта давления. При значениях этого давления, не меньших 0,7 первоначального импульса давления, вызывающего разрыв породы, вскрываются к тому же и естественные вертикальные трещины продуктивного пласта, объединяющие и выравнивающие по проницаемости все разнородные пропластки, например, продуктивного пласта. Это, в свою очередь, увеличивает охват пласта по его толщине и обеспечивает оптимальное его дренирование в добывающей скважине или приемистость в нагнетательной скважине. Степень увеличения протяженности первоначальных трещин и их разветвленности напрямую зависит от взаимодействия волн давления от зарядов первой и второй групп, точнее степени замедления их воспламенения относительно друг друга. Эта степень замедления определяет область взаимодействия волн давления (за пределами зоны кольматации и/или зоны первоначальных трещин), а также степень интенсивности процесса трещинообразования, которая определяется фазами волн и видами взаимодействующих волн давления при работе групп зарядов (например, совпадением фаз сжатия в волнах напряжения от зарядов первой и второй групп), а также тем, насколько динамично будут обеспечены сдвиговые процессы в массиве и насколько эти процессы будут отрелаксированы (уравновешены). Последнее, именно релаксация напряжений, обеспечивает стабильность созданных трещин. Такие явления подтверждены опытным путем. При этом установлено, что описанные явления имеют место, если время действия второго импульса давления превышает время действия первого импульса давления в 3-15 раз.

При этом, газогенератор включает две группы трубчатых зарядов в оптимальном случае с различной массой. Одна группа зарядов изготовлена из смесевого топлива и выполнена с возможностью воспламенения от взрыва детонирующего шнура. Другая группа зарядов изготовлена из баллиститного или смесевого топлива и выполнена с возможностью воспламенения огнепроводным шнуром. В глубоких скважинах с высокими давлениями и температурами скважинной жидкости рекомендуется в качестве огнепроводного шнура использовать детонирующие шнуры без наружной оболочки с применением пластитных составов.

На фиг.1 показаны зависимости давления Р(t), полученные при работе газогенератора расчетным путем (математическим моделированием).

На фиг.2 показан общий вид газогенератора.

Зависимости давления Р(t) получены для следующих условий:

1 - горение заряда длиной 1 м, в канале которого взрывают детонирующий шнур;

2 - горение зарядов длиной 1, 2, 3, 4 и 5 м, воспламеняемых огнепроводным шнуром.

Расчеты зависимости давления от времени выполнены по разработанной во ВНИПИвзрывгеофизике программе математического моделирования на компьютере процесса разрыва пласта давлением пороховых газов. Расчеты выполнены для газогенератора, состоящего из первой группы зарядов длиной 1 м, в осевом канале которых проложен детонирующий шнур, и второй группы зарядов длиной 1, 2, 3, 4 и 5 м, в осевом канале которых проложен огнепроводный шнур.

На графике фиг.1 представлена первичная часть импульса 1 с фронтом нарастания давления в течение t_ф=5·10^-2 с и вторичная часть 2, продолжительность которой во времени определена длиной верхнего заряда устройства.

Первичная часть импульса давления получается в результате сгорания с высокой скоростью первой группы зарядов (например, в нижней части газогенератора), в массе топлива которого при взрыве детонирующего шнура (ДШ) мгновенно образуется система трещин и резко увеличивается начальная поверхность горения.

Под действием ударной нагрузки от первого импульса давления в прискважинной зоне продуктивного пласта возникает несколько начальных трещин, которые в дальнейшем развиваются под действием давления продуктов сгорания второй группы зарядов (например, в верхней части газогенератора).

Как видно из графика Р(t), оптимальное для поддержания разрыва пласта давление сохраняется при массе зарядов второй группы зарядов, в 2-4 раза превосходящей массу первой группы зарядов газогенератора. При этом оптимальное время действия эффективного импульса давления Р_эф составляет для данного случая 1,0-1,2 с. За эффективное давление принята величина давления пороховых газов, составляющая не менее 0,7 от первоначального импульса давления и достаточная для увеличения протяженности искусственных трещин. При этом, в общем случае (с учетом других испытаний, не показаны) эффект отмечен при времени действия второго импульса давления, в 3-15 раз превышающем время действия первого импульса давления.

Газогенератор (фиг.2) состоит из двух групп трубчатых зарядов. Первая группа зарядов 1 изготовлена из смесевого топлива и расположена, например, внизу сборки. Вторая группа зарядов 2 изготовлена из баллиститного или смесевого топлива и расположена выше. Масса зарядов этой группы в 2-4 раза больше, чем зарядов первой группы. В осевых каналах первой группы зарядов проложен детонирующий шнур 3, соединенный через стыковочный узел 4 с огнепроводным шнуром 5. Располагая стыковочный узел 4 в канале одного из последних зарядов первой группы 1, можно регулировать замедление воспламенения зарядов второй группы относительно зарядов первой группы (время задержки воспламенения зарядов второй группы). Между наконечником 6 и зарядами первой группы 1 размещены разрушаемые грузы 7. Нижний конец детонирующего шнура соединен со взрывным патроном 8. Газогенератор подвешен на грузонесущем (геофизическом) кабеле 9.

Газогенератор работает следующим образом. Его опускают в скважину в заданный интервал на грузонесущем кабеле и устанавливают нижнюю группу зарядов в интервале перфорации. От взрывной машинки по кабелю подают электрический импульс на взрывной патрон 8. При срабатывании последнего детонирует шнур 3. От продуктов детонации детонирующего шнура воспламеняются заряды первой группы 1 и топливный заряд в стыковочном узле 4. Продукты сгорания заряда стыковочного узла (демпфирующего заряда) поджигают огнепроводный шнур 5, продукты сгорания которого поджигают заряды второй группы по внутреннему каналу. При взрыве детонирующего шнура 3 и взрывного патрона 8 разрушаются грузы 7 и наконечник 9, их осколки остаются в зумпфе скважины.

При горении зарядов первой группы давление в скважине возрастает со скоростью более 10³ МПа·с и до величины, большей величины горного давления. Горение зарядов второй группы поддерживает эффективное давление (Р_эф.) не меньше 0,7 от первоначального импульса давления (горного давления) и в течение времени горения, в 3-15 раз превышающем время действия первого импульса давления. В частном случае это время составляет 1,0-1,2 с (см. фиг.1).

Применение газогенератора в скважине в соответствии с изобретением позволит инициировать значительное количество трещин в породе вокруг скважины в ближней зоне (в пределах зоны кольматации) за счет высокой скорости нарастания первоначального импульса давления и увеличить протяженность и разветвленность этих трещин за пределы зоны кольматации со вскрытием естественных вертикальных трещин за счет создания вторичного фронта давления с увеличением времени эффективного действия давления. При этом степень протяженности и разветвленности трещин задают длительностью во времени вторичного импульса давления. Система разветвленных трещин с раскрытыми естественными вертикальными трещинами обеспечивает, например, надежную систему дренирования углеводородного флюида в добывающую скважину с охватом продуктивного пласта по всей его толщине или, например, эффективную приемистость нагнетательной скважины также с охватом продуктивного пласта по всей его толщине.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разрыва и термогазохимической обработки нефтегазоносных пластов пороховыми газами для улучшения гидродинамической связи скважины с пластом. Обеспечивает создание устройства, обеспечивающего образование длительного импульса давления с высокой скоростью нагружения пород с образованием в прискважинной и удаленной зоне пласта многочисленных протяженных и разветвленных трещин, не смыкающихся после снятия нагрузки. Сущность изобретения: газогенератор включает сборку зарядов, средство воспламенения зарядов, грузонесущий кабель для доставки газогенератора в скважину и узел крепления газогенератора к грузонесущему кабелю, при этом сборка зарядов содержит первую группу зарядов или один заряд с объемом и динамикой газовыделения при горении, обеспечивающими создание импульса давления в скважине на глубине работы газогенератора величиной, превышающей горное давление при скорости нарастания импульса давления не менее 10³ МПа/с, и вторую группу зарядов или один заряд с меньшей динамикой и большим объемом газовыделения, в сравнении с зарядами первой группы, обеспечивающими создание вторичного фронта давления величиной не менее 0,7 величины первого импульса давления и в течение времени, превышающем время действия первого импульса давления в 3-15 раз, при этом средство воспламенения зарядов содержит замедлитель воспламенения второй группы зарядов относительно первой группы зарядов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газогенератор на твердом топливе для скважины, включающий сборку зарядов, средство воспламенения зарядов, грузонесущий кабель для доставки газогенератора в скважину и узел крепления газогенератора к грузонесущему кабелю, при этом сборка зарядов содержит первую группу зарядов или один заряд с объемом и динамикой газовыделения при горении, обеспечивающими создание импульса давления в скважине на глубине работы газогенератора величиной, превышающей горное давление при скорости нарастания импульса давления не менее 10³ МПа·с, и вторую группу зарядов или один заряд с меньшей динамикой и большим объемом газовыделения в сравнении с зарядами первой группы, обеспечивающими создание вторичного фронта давления величиной не менее 0,7 величины первого импульса давления и в течение времени, превышающем время действия первого импульса давления в 3-15 раз.2. Газогенератор по п. 1, отличающийся тем, что сборка зарядов выполнена из трубчатых зарядов с осевым каналом.3. Газогенератор по п. 2, отличающийся тем, что первая группа зарядов или один заряд размещены в нижней части сборки зарядов и изготовлены из смесевого твердого топлива, при этом вторая группа зарядов или один заряд размещены в верхней части сборки зарядов и изготовлены из баллиститного и/или смесевого твердого топлива.4. Газогенератор по п. 3, отличающийся тем, что вторая группа зарядов или один заряд превышают по массе в 2-4 раза первую группу зарядов или один заряд.5. Газогенератор по п. 3, отличающийся тем, что первая группа зарядов выполнена с возможностью перекрытия, по меньшей мере, 1/5 части интервала перфорации скважины.6. Газогенератор по п. 3, отличающийся тем, что средство воспламенения зарядов выполнено в виде отрезков детонирующего и огнепроводного шнуров, расположенных в осевом канале сборки зарядов и сочлененных между собой с помощью стыковочного узла, который установлен на грузонесущем кабеле в осевом канале последнего заряда первой группы, при этом детонирующий шнур установлен с возможностью воспламенения зарядов первой группы, а огнепроводный шнур - зарядов второй группы.7. Газогенератор по п. 6, отличающийся тем, что стыковочный узел установлен на грузонесущем кабеле в осевом канале последнего заряда первой группы с возможностью задержки начала воспламенения зарядов второй группы.8. Газогенератор по п. 6, отличающийся тем, что в качестве огнепроводного шнура принят детонирующий шнур, изготовленный с применением пластитных составов, без наружной оболочки.