СКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ СЖАТИЯ Российский патент 2010 года по МПК E21B43/263 

Разработанное изобретение относится к области нефтедобычи, а именно к средствам интенсификации притока жидкости к скважинам, например нефтяным, для увеличения добычи, индекса продуктивности и коэффициента отдачи.

В представленном изобретении охарактеризовано устройство генератора импульсов давления. Это устройство может быть использовано для стимулирования притока жидкости в скважину, в частности для случая нефтяных скважин, для запуска или стимуляции притока флюида. В частности, такое устройство может быть использовано для повышения проницаемости нефтеносного пласта, через который проходит данная скважина. Такое импульсное воздействие должно повысить приток в скважину нефти и других флюидов из пласта через изменения в свойствах призабойной породы.

В отличие от традиционных способов обработки призабойной зоны, состоящих в закачке под давлением больших объемов жидкости в скважину, разработанное устройство относится к нетрадиционным методам воздействия. Оно реализует импульсный способ воздействия на пласт, что обеспечивает создание множественных трещин в породе. Описываемый ниже пример применения разработанного устройства может быть использован как самостоятельный вид обработки, а также совместно с ранее известными способами, например, разработанное устройство может быть использовано на стадии, предваряющей гидроразрыв пласта или кислотную обработку породы.

Модель виброрастрескивания пласта [1], разработанная в Московском Исследовательском Центре Шлюмберже, показывает, что при воздействии на пласт импульсами сжатия высокой частоты и амплитуды, предпочтительно в сотни бар, возможно образование множественных трещин в областях, примыкающих к скважине, а также в областях, примыкающих и радиально расходящихся от скважины, при наличии у нее готовой трещины. К сожалению, существующие механические устройства не позволяют создавать импульсы давления требуемых характеристик по частоте и амплитуде.

С другой стороны, как показывают исследования [2-3], даже без организации циклического режима могут быть сформированы множественные радиально ориентированные от скважины трещины при величинах прироста давления более 10⁴ МПа/с. Таким образом, развитие нетрадиционных методов воздействия на призабойную зону требует поиска конструкции такого источника импульсов давления, который имел бы достаточную мощность и широкий интервал рабочих параметров.

Согласно данному техническому решению в качестве источника импульсов давления с нужными характеристиками использован управляемый процесс горения смесей. В частности, рассмотрено горение твердого порошкового состава типа «металлические частицы - твердый окислитель - жидкая добавка», поскольку подобный процесс горения представляет интерес по нескольким аспектам:

- возможность получать импульсный режим сгорания заряда, управляя скоростью сгорания, то есть подбирая состав горючей смеси, размер частиц, пористость заряда (плотность);

- высокое удельное энерговыделение заряда благодаря металлическому порошку, входящему в состав заряда (другими словами, компактность заряда);

- возможности варьировать амплитудно-временные характеристики импульса, а также его локализацию в окружающем пространстве за счет выбора частично водореагирующего заряда, например, путем сжигания богатой смеси, промежуточные продукты которой смогут дореагировать при выходе из заряда;

- «мягкое» воздействие на скважину - без разрушения ее целостности и уплотнения породы пласта.

Известный уровень техники

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, SU 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 реализована не последовательность взрывов отдельных зарядов, а процесс конвективного горения слоев, протекающий поочередно с заранее выбранными скоростями.

Наиболее близким аналогом разработанной конструкции является заявка на патент RU 2006118851, в которой представлена конструкция генератора импульсных колебаний. Известная конструкция представляет собой толстостенный корпус с системой инициирования поджига, внутри которого размещены прослойки смеси, сгорающие с различной скоростью.

Технической задачей разработанного изобретения является создание устройства воздействия на пласт, позволяющего генерировать циклические импульсы давления, варьировать амплитудно-временные характеристики импульсов, обеспечивать их локализацию в окружающем пространстве.

Технический результат, поручаемый при реализации разработанного устройства, состоит в обеспечении «мягкого» воздействия на скважину без разрушения ее целостности и уплотнений породы пласта.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать скважинный генератор импульсов сжатия, содержащий корпус с системой инициирования поджига, в котором размещена система зарядов, причем корпус системы зарядов представляет собой тонкостенную разрываемую оболочку, разделенную на секции пластиковыми втулками с центральными отверстиями, заполненные материалом-замедлителем. Предпочтительно, корпус представляет собой армированную пластиковую трубу. При реализации разработанного устройства используют заряд типа «металлическое топливо - твердый окислитель - жидкая добавка» с различным соотношением компонентов. В одном из вариантов реализации используют смесь на основе порошкообразного алюминия, частиц перхлората аммония и добавки нитрометана. В качестве замедлителя в отверстиях втулок может быть использована смесь черного пороха с размером частиц 100 мкм с добавкой 6% нитрометана и 3% порошкового алюминия.

В устройстве генератора импульсов давления (ГИД) заложен принцип конвективного горения смеси типа «металлическое горючее - твердый окислитель - жидкая добавка». В качестве базовой смеси, как было указано ранее, предпочтительно использована смесь на основе алюминиевой пудры (А1), частиц перхлората аммония (NH₄ClO₄) с добавкой нитрометана (CH₃NO₂).

Был проведен цикл работ для проверки работоспособности циклического генератора импульсов давления, основанного на сжигании зарядов, состоящих из последовательно сгорающих с разными скоростями прослоек горючей смеси. Экспериментально показано, что наиболее перспективным направлением является создание зарядов, на основе прослоек смеси, уложенных в тонкостенные оболочки. Подробное описание конструкции заряда и тестов можно найти в технических отчетах [4, 5].

Краткое описание изобретения

Ранее известное устройство представляло собой толстостенный корпус с зарядом в виде прослоек смеси, сгорающих с различной скоростью (см. Фиг.1). Разработанное же устройство реализует поочередное размещение прослоек смеси и непроницаемых вставок внутри тонкостенного корпуса (см. Фиг.2). Данная конструкция заряда позволяет получать периодические и управляемые разрывы корпуса с боковой разгрузкой и истечением продуктов сгорания в околоскважинную жидкость в ходе последовательного сгорания секций по длине заряда.

Разработанная конструкция генератора работает следующим образом. После воспламенения крайней секции смесь начинает гореть и давление внутри секции, ограниченной тонкостенным корпусом и непроницаемыми вставками, повышается. Тонкостенный корпус выдерживает избыточное давления до определенного уровня и затем разрывается. При разрыве корпуса струя продуктов горения попадает в скважную жидкость в направлении, перпендикулярном стенке обсадной колонны. Головная часть струи создает импульс давления в жидкости.

Интенсивное смешение горячих газообразных продуктов с жидкостью вызывает быстрое охлаждение газа, сопровождаемое сокращением его объема. Давление спадает с образованием импульса разряжения.

Порции смеси в составе заряда разделены перегородками из непроницаемого материала. В перегородках проделаны узкие осевые отверстия, которые образуют канал между соседними секциями. По этим каналам продукты сгорания из горящей секции способны проникать в соседнюю секцию. Несколько охлаждаясь, горячие продукты обеспечивают воспламенение в новой секции с некоторой задержкой. Интервал задержки можно варьировать путем размещения в канале реагирующих смесей с заданными скоростями горения (например, пиротехнических стержней). Таким образом, после воспламенения новой секции заряда цикл повторяется.

В дальнейшем сущность и преимущества разработанного генератора будут раскрыты путем сравнения разработанной и известной конструкции.

Варианты исходных конструкций зарядов в толстостенных корпусах показаны на Фиг.1. В варианте 1 в корпусе размещают поочередно слои быстро- и медленно- горящего состава. Основной недостаток этого подхода связан с трудностями получения последовательности импульсов давления с четко выраженными пиками при использовании относительно коротких по длине прослоек смеси. В варианте 2 порции быстрогорящей смеси (заряда) разделены непроницаемыми перегородками, выполненными из инертного непористого материала, в которые вставлены стержни пироксилинового пороха (для передачи горения сквозь перегородку к следующей порции). Преимущество такого варианта состоит в простоте регулировки задержки воспламенения очередной порции путем изменения длины пиротехнического пироксилинового замедлителя. В этой схеме есть два очевидных недостатка: (1) сборка такого многосекционного заряда может быть задачей трудной технически, (2) трудности с компенсацией внешнего давления (поскольку порции смеси разделены непроницаемыми перегородками). Последнюю проблему решают созданием компенсационных каналов, подведенных к каждой порции смеси (вариант 3). В варианте 4 проблема решена проще: стержни пироксилинового замедлителя между порциями смеси замещены узкими отверстиями. Продукты сгорания предыдущей прослойки, частично охлаждаясь, проникают в следующую прослойку (секцию) и воспламеняют ее. Таким образом, будет обеспечен прерывистый режим работы при сохранении принципа компенсации внешнего давления (воздух будет попадать в прослойки через отверстия). У вариантов 2-4 есть общий недостаток, а именно, перегородки при срабатывании заряда отдельной прослойки могут выдавливаться в сторону разгрузочного отверстия. Во избежание загрязнения забоя скважины перегородки должны удерживаться механическим уловителем. Другой недостаток - возможный сдвиг соседних перегородок между быстрогорящими зарядами из-за разницы давления в соседних секциях. Этого эффекта можно избежать, используя конструкции, показанные в вариантах 5-6, когда порции заряда помещают в пластиковые или металлические стаканчики вместо пробок. Стенки стаканчиков будут воспринимать нагрузки на донце и тем самым препятствовать сжатию смеси.

Одним из возможных путей решения перечисленных проблем является размещение зарядов в тонкостенных разрушаемых оболочках. В качестве общей оболочки генератора предложено использовать тонкостенную пластиковую трубку, разрушающуюся при расширении продуктов сгорания от последовательного сгорания зарядов. Разрыв трубки позволяет решить нескольких задач:

i) при боковой разгрузке продуктов горения получаются более острые пики давления;

(ii) процесс постоянного распространения пламени прерывается, что отделяет соседние импульсы давления;

(iii) газовые продукты сгорания истекают в окружающую среду, что создает объем газа, необходимый для генерации квазиакустических колебаний.

Ключевая идея простого генератора периодических импульсов давления формулируется следующим образом. Корпус системы зарядов представляет собой армированную пластиковую трубку, разделенную на секции пластиковыми втулками с центральными отверстиями. Эти отверстия во втулках заполняются материалом-замедлителем. Преимущества такого устройства (Фиг.2) следующие:

- Довольно просто оптимизировать состав замедлителя в пластиковой втулке. Загрузка замедлителя в отверстие втулки не представляет сложностей для сборки.

- Многосекционный заряд может производиться в виде длинного пластикового шланга, удобного для транспортировки и обращения (Фиг.3).

- Все секции сгорают при идентичных условиях, поскольку давление от сгорания отдельной секции заряда быстро спадает до нормального уровня.

- Трубка с зарядами выдерживает высокое внешнее давление без существенных деформаций, поэтому отпадает необходимость в компенсации давления в порах смеси во время спуска устройства в скважину.

- Армированная пластиковая трубка разрывается по длине, а не поперек, даже при очень высоком давлении на фронте горения (см. Фиг.4).

- Заряженная трубка не содержит металлических деталей, которые могут быть потенциально потеряны на забое скважины.

Для проверки работоспособности предложенного устройства был проведен эксперимент. Скорость горения смеси выбирали максимально возможной (а) для того, чтобы получить наиболее высокий уровень давления до момента разрыва пластиковой трубки и (b) чтобы обеспечить более резкий спад давления. Устройство и материал замедлителя варьировали.

Фиг.5 показывает схематически установку, моделирующую скважину и размещенный в ней заряд. Имитатор скважины на две трети заполняли водой. В воду опускали заряд, собранный из прослоек смеси, разделенных эбонитовыми втулками длиной 45 мм и диаметром 16 с центральным отверстием диаметром 2,5 мм. Эбонитовые втулки помещали внутрь армированной полиэтиленовой трубки, рассчитанной на внутреннее давление 8 атм. Места контакта эбонитовых втулок и пластиковой трубки были усилены металлическими хомутами.

Воспламенение заряда осуществляли капсулем снизу. Провода капсуля были подведены к электродам верхнего фланца установки. Заряд состоял из 4 секций. В качестве замедлителя в отверстиях эбонитовых втулок использована смесь черного пороха (размер частиц 100 мкм) с добавкой 6% нитрометана и 3% порошкового алюминия (для повышения температуры горения). Масса отдельной прослойки смеси составляла 1 г (плотность насыпная).

Как видно из Фиг.6-7, все четыре прослойки сгорели. Импульсы давления имеют резкий фронт нарастания и глубокий спад. Каждый пик давления сопровождается высокочастотными колебания, которые соответствуют многократным отражениям квази-акустических волн в газовом объеме. Средняя максимальная амплитуда импульса давления составляет 300 бар. Импульсы давления отделены друг от друга и следуют с задержкой во времени, что свидетельствует о правильной работе замедлителя. Статическое давление возросло незначительно, это означает, что все заряды сгорают в более или менее одинаковых начальных условиях. Длительность импульсов давления составляет в среднем 10-20 микросекунд.

Результаты первичных испытаний вполне удовлетворительны, поскольку трудно ожидать лучшей воспроизводимости результатов в условиях ручной сборки заряда. В рамках данного испытания задача оптимизации технологии сборки зарядов не ставилась.

Источники информации

Предложенное изобретение относится к области нефтедобычи, а именно к средствам интенсификации притока жидкости к скважинам для увеличения добычи, индекса продуктивности и коэффициента отдачи. Скважинный генератор импульсов сжатия содержит корпус с системой инициирования поджига, в котором размещена система зарядов. Корпус системы зарядов представляет собой тонкостенную разрываемую оболочку, разделенную на секции пластиковыми втулками с центральными отверстиями, заполненными материалом-замедлителем. При этом материал-замедлитель включает смесь черного пороха с размером частиц 100 мкм с добавкой 6% нитрометана и 3% порошкового алюминия. Техническим результатом является обеспечение воздействия на скважину без разрушения ее целостности и уплотнений породы пласта. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1.Скважинный генератор импульсов сжатия, содержащий корпус с системой инициирования поджига, в котором размещена система зарядов, отличающийся тем, что корпус системы зарядов представляет собой тонкостенную разрываемую оболочку, разделенную на секции пластиковыми втулками с центральными отверстиями, заполненными материалом-замедлителем, включающим смесь черного пороха с размером частиц 100 мкм с добавкой 6% нитрометана и 3% порошкового алюминия.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что корпус представляет собой армированную пластиковую трубу.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что использован заряд типа «металлическое топливо - твердый окислитель - жидкая добавка».

4. Генератор по п.3, отличающийся тем, что использована смесь на основе порошкообразного алюминия, частиц перхлората аммония и добавки нитрометана.