ГИДРОРЕАГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2006 года по МПК E21B37/06 

Заявляемое техническое решение относится к устройствам, используемым для локального термо-газо-химического воздействия в труднодоступных коммуникациях нефтегазодобывающих скважин как автономный генератор водорода гидролизного типа.

Теоретическое обоснование, перспективность и возможности использования гидрореагирующего горючего (ГРГ) для создания подводных подвижных аппаратов сформулированы в [Алексеев Г.Н. Основы теории энергетических установок подводных подвижных аппаратов. Москва., «Наука», 1974 г]. Литий, натрий, калий, кальций, алюминий и некоторые соединения экзотермически реагируют с водой, как с окислителем. Их преимущество состоит в том, что, используя воду в качестве окислителя, получают теплоту сгорания и количество образующихся газов на единицу массы более высокие, чем любые другие химические топливные системы, при использовании которых и горючее и окислитель должны транспортироваться на подводном подвижном аппарате. Чрезвычайно высокая активность ГРГ и целый ряд трудностей технического характера по данным [Башкатов В.А., Орлов П.П., Федосов М.И. Гидрореактивные пропульсивные установки. «Судостроение», Ленинград, 1977] не преодолены до настоящего времени. Это является наиболее веской причиной, препятствующей широкому распространению перспективного направления в судостроении. Актуальность технических решений, связанных с водородной энергетикой, обусловлена острой необходимостью решения экологических проблем, представлена в [Дмитриев А.Л., Гришин В.Г., Прохоров Н.С. Оценка принципиальной возможности создания бортовых водородных генераторов гидролизным методом. Химическая промышленность, т.80, №10, 2003.].

В последнее десятилетие возможности гидрореагирующих металлов начали использоваться для решения эксплуатационных проблем нефте- и газодобычи. Борьба с проявлениями газогидратных образований в насосно-компрессорных трубах (НКТ), разрушение отложений парафинов, асфальтенов. [Пат. РФ 2028447, Е 21 В 37/06, Б.И. №4, 1995]. В указанном известном способе в качестве химреагента используют щелочные металлы, выбранные из группы, включающей литий, натрий, калий или их композиты с другими металлами, диспергированные в количестве 10-75 мас.% в обезвоженной углеводородной жидкости или их смесях. После подачи химреагента закачивают воду в количестве 50-200 мас.ч. на 1 мас.ч. щелочного металла. Другим отличием является то, что между дисперсией металла или композита на его основе и водой закачивают продавочную жидкость в количестве 50-100 мас.ч. на 1 мас.ч. щелочного металла. Недостаток - неуправляемость процесса, высокая вероятность тепловых взрывов из-за несбалансированного теплоотвода из реакционного объема.

Указанные недостатки преодолены в большей мере в устройстве и способе удаления асфальтосмолистых и парафиногидратных (АСПГ) отложений [Пат. РФ 2123101, приоритет от 30.01.96]. Согласно прототипу устройство для удаления АСПГ отложений включает корпус, заполненный химически активным веществом, способным взаимодействовать с водой, отличается тем, что корпус выполнен в виде цилиндрической оболочки из алюминия или его сплава, имеет свободный объем внутри оболочки, в качестве химически активного вещества применен металлический натрий. При этом внутренний диаметр корпуса в нижнем основании равен внешнему диаметру в верхнем основании для соединения устройств между собой с использованием свободного объема внутри оболочки. Кроме того, масса корпуса по отношению к массе металлического натрия составляет не более 1/3. Устройство успешно прошло промышленные испытания, выпущены технические условия [Заряд термохимический направленного действия. ТУ 3666-002-33905302-98, регистрационный №070/00703 от 30.11.98], объем его производства и использования превысил 5000 шт. Для обеспечения безопасности персонала при хранении и транспортировке активная масса защищена гидроизолирующим слоем, который удаляется непосредственно перед применением. По принципу действия это реактивный движитель, в котором скорость взаимодействия активной массы ограничена доступом воды в кольцевом сечении алюминиевого корпуса. Натрий в контакте с водой образует щелочь. Щелочь взаимодействует с алюминием оболочки и растворяет ее, открывая доступ воды к непрореагировавшей части натрия. В процессе промысловых испытаний выявлены следующие недостатки:

- эффективность устройства как инструмента для локального воздействия на АСПГ проявления в НКТ недостаточна из-за паразитного расходования активной массы на транспорт устройства до интервала обработки;

- не исключены случаи пассивации активной массы устройства при прохождении его под собственным весом в слое отстоявшейся нефти;

- недостаточно универсален, как инструмент для обработки призабойной зоны продуктивных пластов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение эффективности известного устройства, как инструмента локального термохимического воздействия и источника водорода в дальнейшем гидрореагирующего элемента (ГРЭЛ).

Указанная задача решается тем, что гидрореагирующий элемент включает алюминиевый цилиндрический стакан, заполненный активной массой на основе металлического натрия, защитный гидроизолирующий слой, удаляемый перед началом использования, указанный защитный слой представляет собой состав на основе парафина, между указанными активной массой и защитным слоем размещена вставка, выполненная из смеси нитрата натрия и гидроксида натрия, обеспечивающая временную задержку взаимодействия указанной активной массы с водным раствором.

При этом соотношение площадей сечения указанных активной массы и стакана предпочтительно не больше 50.

ГРЭЛ в режиме генератора водорода может вводиться под уровень жидкости открытым торцом «вниз», скорость выделения водорода регулируется глубиной погружения, соотношением масс во внешнем резервуаре и активной массы в алюминиевом корпусе.

Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что солевая вставка предотвращает доступ воды к активной массе на время ее растворения и устраняет эффект пассивации активной массы при прохождении устройства через слой отстоявшейся нефти (случай наиболее распространенный для скважин, выведенных в резервный фонд). Смесь нитрата натрия и его гидроксида имеет низкую температуру плавления в широком диапазоне составов (230-300°С), не взаимодействует с натрием и имеет высокую адгезию к алюминию. В присутствии воды скорость растворения смеси в месте контакта с алюминием пропорциональна содержанию в смеси гидроксида натрия. Диапазон временной задержки для различных месторождений варьируется в зависимости от геологических условий месторождений, особенностей их эксплуатации и конкретики решаемой задачи.

Что касается соотношения площадей сечения активной массы и алюминиевого стакана, то ограничения обусловлены необходимостью исключения вероятности тепловых взрывов. Результаты расчетных критериев представлены в таблице основе экспериментальных данных по скорости растворения алюминиевых образцов в щелочных растворах. В области значений критерия тепловыделения, превышающих значения критерия теплопередачи, возможен тепловой взрыв.

Соотношение площадей f_акт/f_сКрайние значения коэффициента теплопередачи, В/м² КЛевая часть критерия теплопередачи Е'/RT_крПравая часть критерия тепловыделения ln(-Е' QFA'f_акт/f_chRT₀ ²)7,535/823,720,3/21,81535/823,721/22,53035/823,721,7/23,162,535/823,722,4/23,97535/823,722,6/24,15003523,734,5

При проведении расчетов принято: начальная температура 303°С, тепловой эффект реакции 142 кДж/моль.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, а, б, на котором представлено сечение устройства - гидрореагирующего элемента, состоящего из алюминиевого корпуса 1, активной массы на основе натрия металлического 2, солевой вставки 3, гидроизолирующего (транспорт, хранение) состава на основе парафина 4.

ГРЭЛ используется следующим образом: гидроизолирующий состав 4 удаляют с поверхности солевой вставки 3, после чего устройство может быть использовано в нескольких вариантах.

Обработка НКТ от отложений (чертеж, а): ввод в скважину через лубрикатор под действием собственного веса открытым торцом вверх. НКТ предварительно заполняются водой или раствором глушения. ГРЭЛ под действием собственного веса движется внутри НКТ до встречи с препятствием в виде отложений. По истечении заданного времени солевая вставка 3 растворяется и открывает прямой доступ воды к активной массе 2. Начинается фаза активного взаимодействия с выделением тепла, водорода, активной щелочи и одновременным растворением в образовавшейся щелочи алюминиевого корпуса 1. Установлено, что на одну активную массу ГРЭЛ разрушается в среднем 30 масс парафиногидратов. Скорость растворения корпуса по высоте ГРЭЛ составляет 0,1-0,2 м/час. Газовый поток вытесняет отработанную массу шламов вверх (эффект эрлифта). Отработанная масса должна быть удалена из НКТ вытеснением, а обработка продолжена.

Обработка призабойной зоны продуктивного пласта: осуществляется для любого вида скважин в период проведения подземного ремонта или скважин поддержания пластового давления без остановки процесса закачки. Ввод ГРЭЛ в скважину через лубрикатор под действием собственного веса. Возможен вариант использования геофизических перфораторов типа ПК-105 с доставкой в зону перфорации на кабеле.

Представленное устройство (ГРЭЛ) может быть использовано, как автономный генератор водорода гидролизного типа (чертеж, б). В этом случае ГРЭЛ должен быть помещен под уровень воды открытым торцом « вниз». Скорость взаимодействия после временной задержки устанавливается в зависимости от уровня погружения и соотношения активных масс ГРЭЛ и массы воды во внешней емкости. В этом варианте использования процесс взаимодействия воды с активной массой осуществляется через парогазовый слой продуктов реакции, ограниченных корпусом.

Изобретение относится к устройствам, используемым для локального термо-газо-химического воздействия в труднодоступных коммуникациях нефтегазодобывающих скважин как автономный генератор водорода гидролизного типа. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение эффективности гидрореагирующего элемента как инструмента локального термохимического воздействия и источника водорода. Гидрореагирующий элемент включает алюминиевый цилиндрический стакан, заполненный активной массой на основе металлического натрия, защитный гидроизолирующий слой, удаляемый перед началом использования, причем указанный защитный слой представляет собой состав на основе парафина, между указанными активной массой и защитным слоем размещена вставка, выполненная из смеси нитрата натрия и гидроксида натрия, обеспечивающая временную задержку взаимодействия указанной активной массы с водным раствором. Соотношение площадей сечения указанных активной массы и стакана предпочтительно не больше 50. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Гидрореагирующий элемент, включающий алюминиевый цилиндрический стакан, заполненный активной массой на основе металлического натрия, защитный гидроизолирующий слой, удаляемый перед началом использования, отличающийся тем, что указанный защитный слой представляет собой состав на основе парафина, между указанными активной массой и защитным слоем размещена вставка, выполненная из смеси нитрата натрия и гидроксида натрия, обеспечивающая временную задержку взаимодействия указанной активной массы с водным раствором.2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что отношение площадей сечения указанных активной массы и стакана предпочтительно не больше 50.