ТЕРМОИСТОЧНИК ДЛЯ ТЕРМОГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ПЛАСТА Российский патент 2013 года по МПК E21B43/263 C09K8/62 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для повышения производительности нефтяных скважин путем обработки призабойной зоны за счет гидроразрыва пласта газообразными продуктами сгорания пороков и твердых топлив.

Одним из рациональных и эффективных методов обработки призабойной зоны с целью установления надежной гидродинамической связи скважины с пластом является способ разрыва пласта газообразными продуктами горения порохового заряда и термогазовое воздействие на призабойную зону пласта. Как известно [1], для этих целей применяют пороховые генераторы давления типа ПГД.БК или аккумуляторы давления типа АДС. Генератор давления ПГД.БК состоит из нескольких соединенных между собой пороховых зарядов с осевыми каналами, которые смонтированы на опорной трубе, по всей поверхности покрыты гидроизоляционным составом, а по наружной боковой поверхности - дополнительным покрытием, предохраняющим заряд от трения и ударов о колонну и обеспечивающим прогрессивное горение с поверхности канала.

Пороховые аккумуляторы давления АДС-5 и АДС-6 различаются конструкцией порохового заряда. Аккумулятор давления АДС-6 состоит из воспламеняющих и из сгорающих пороховых зарядов с осевыми каналами, а сгорающий пороховой заряд АДС-5 - бесканальный. Воспламеняющий пороховой заряд отличается от сгорающего тем, что в нем имеется загерметизированная спираль накаливания для воспламенения порохового заряда при подаче электрического напряжения. Пороховые заряды АДС-5 и АДС-6 не имеют герметичной оболочки и находятся в контакте со скважинной жидкостью.

Известные в настоящее время генераторы и аккумуляторы давления для гидроразрыва пласта состоят преимущественно из зарядов баллиститного пороха или смесевого твердого топлива и отличаются, в основном, усовершенствованиями, направленными на регулирование величины и длительности импульса давления пороховых газов, воздействующих на интервал обработки продуктивного пласта. Так, например, известен газогенератор [2], состоящий из сборки группы зарядов с осевыми каналами, средства их воспламенения, грузонесущего кабеля для доставки газогенератора в скважину и узла крепления газогенератора к кабелю. При этом первая группа зарядов изготовлена из смесевого твердого топлива, обеспечивающего при сгорании создание импульса давления, превышающего горное давление, а вторая группа зарядов изготовлена из баллиститного или смесевого твердого топлива, создающего вторичный фронт давления величиной не менее 0,7 величины первого импульса давления в течение времени, превышающего время действия первого импульса в 3-15 раз. Средство воспламенения зарядов выполнено в виде отрезков детонирующего и огнепроводного шнуров, расположенных в осевом канале сборки зарядов и соединенных между собой с помощью стыковочного узла, при этом детонирующий шнур установлен с возможностью воспламенения зарядов первой группы, а огнепроводный шнур - зарядов второй группы. Недостатком газогенератора является ненадежность воспламенения пороховых зарядов от детонирующего шнура, а также от детонирующего шнура к огнепроводному шнуру.

Общим недостатком рассмотренных выше зарядов из баллиститного или твердого смесевого топлива, используемых в качестве генераторов и аккумуляторов давления для гидроразрыва пласта, является их детонационная способность и связанная с ней низкая безопасность, которая может привести к аварийным ситуациям из-за нарушения при детонации целостности скважины. Такие заряды, кроме того, требуют особых условий хранения, транспортировки и эксплуатации.

Известны так называемые термоисточники, применяемые самостоятельно или в устройствах для термоимплозионной обработки призабойной зоны скважин. Термоисточник выполнен на основе газогенерирующего при сгорании твердого композиционного материала из смеси аммиачной селитры и эпоксидного полимерного горючего. Устройства, в которых используются такие термоисточники, описаны в [3, 4, 5, 6] и состоят из герметичной воздушной камеры с атмосферным давлением, диафрагмы и приемной камеры с размещенным в нем сгораемым твердым композиционным материалом, которую в литературе называют термоисточником [3].

Известный термоисточник [6] включает выполненный из легкого упругопластичного материала корпус, который в основной (второй) части снаряжен из газогенерирующей при сгорании композиции с прочностью, превышающей забойное давление и включающей, мас.%:

Аммиачная селитра гранулированная марки Б 70-74 Бихромат калия 3-5 Эпоксидная смола марки ЭД-20 19,5-21,5 Пластификатор марки ЭДОС 1,5-2,0 Отвердитель Агидол марки АФ-2М 3,5-4,5

Преимуществом этой композиции термоисточника является то, что она является недетонационноспособной (класс опасности 4.1.1), повышающей ее безопасную эксплуатацию, а также возможность формирования из нее основного газогенерирующего при сгорании материала термоисточника с высокой прочностью на сжатие, составляющей 40 МПа. Недостатком композиции, по сравнению с балиститными порохами, применяемыми для гидроразрыва пласта, является их низкая температура горения (990°C), в то время как баллиститные пороха обладают температурой горения около 2200°C, что позволяет им, при прочих равных условиях, создать более высокую энергию и импульс давления для разрыва пласта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является термоисточник для обработки призабойной зоны скважины, сформированный из композиции [7], включающей аммиачную селитру гранулированную марки Б, бихромат калия, эпоксидную смолу марки ЭД-20, пластификатор ЭДОС, отвердитель Агидол марки АФ-2М, при этом в качестве компонентов, повышающих прочность материалов композиции на сжатие и температуры его горения, она дополнительно содержит смесь порошков алюминия дисперсностью не более 50 мкм и азотнокислого бария дисперсностью не более 0,5 мм в следующих соотношениях компонентов композиций, мас.%: аммиачная селитра гранулированная марки Б 52,5-53,0; бихромат калия 2,4-2,5; эпоксидная смола марки ЭД-20 14,3-14,4; пластификатор марки ЭДОС 1,3-1,4; отвердитель Агидол марки АФ-2М 2,1-2,2; алюминий 10,5-10,9 и азотнокислый барий 16,0-16,5. Преимуществом термоисточника для обработки призабойной зоны скважины является то, что он снаряжен композицией, имеющей температуру горения, равную 2360°C, что находится на уровне этого показателя для баллиститных порохов, эффективно используемых в генераторах и аккумуляторах давления для гидроразрыва пласта, другим преимуществом является недетанационность используемых в нем композиций, а также более высокая прочность на сжатие материала композиции (46 МПа).

Недостатком термоисточника-прототипа является то, что из его композиции можно изготовлять газогенерирующий материал только торцевого горения в герметичном корпусе из-за гигроскопичности композиции на основе аммиачной селитры. При этом время сгорания материала торцевого горения в скважинных условиях составляет несколько минут. Для создания высокого и кратковременного импульса для разрыва пласта необходимо формировать материал композиции в виде прессованных шашек с центральными каналами, как и в генераторах и аккумуляторах давления на основе баллиститного пороха, позволяющих увеличить поверхность воспламенения и горения, что существенно уменьшает время горения газогенерирующего материала, так как при наличии канала это время определяется толщиной горящего свода. Формировать газогенерирующий материал термоисточника прессованием в виде шашек с каналами практически однако не представляется возможным из-за высокой адгезионной способности материала к металлу пресс-инструмента, связанной с наличием в композиции высокоадгезионного связующего - эпоксидного компаунда (смеси эпоксидной смолы ЭД-20 с пластификатором и отвердителем). По этой причине композицию термоисточника по способу-прототипу снаряжают непосредственно в корпус термоисточника последовательным уплотнением каждой ее порции ручной набивкой с помощью набивочного инструмента - штока.

В предлагаемом изобретении решается задача усовершенствования термоисточника и газогенерирующего при сгорании материала композиции с целью возможности формирования его прессованием в виде отдельных шашек с центральными каналами, последующего снаряжения их в корпус и функционирования термоисточника в предварительно герметичном виде.

Задача решается тем, что в термоисточнике, включающем выполненный из легкого упругопластического материала корпус, который снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом, состоящим из смеси аммиачной селитры гранулированной марки Б, бихромата калия, алюминиевого порошка марки АСД-4 и азотнокислого бария; воспламенитель, срабатывающий от электрической спирали, и герметизирующие торцы материала газогенерирующей композиции слои из эпоксидного компаунда и герметика на основе тиокола, согласно изобретению газогенерирующий при сгорании композиционный материал термоисточника содержит в эффективном количестве 20% мас. порошкообразную поливинилхлоридную хлорированную смолу марки ПСХ-ЛС при следующем соотношении компонентов композиции, % мас.:

Аммиачная селитра гранулированная марки Б 57,0±0,2 Бихромат калия 3,0±0,1 Алюминиевый порошок марки АСД-4 5,0±0,1 Азотнокислый барий 15,0±0,2 Поливинилхлоридная смола марки ПСХ-ЛС 20,0±0,2

с возможностью формирования композиционного материала прессованием в виде группы шашек с центральными каналами. Образуемый при снаряжении зазор между шашками и корпусом термоисточника заполнен способным к отверждению заливочным раствором, а центральный канал с обоих концов предварительно закрыт прочными цилиндрическими прокладками. При этом термоисточник между воспламенителем и композиционным материалом содержит слой дополнительного воспламенительного состава с возможностью воспламенения его от воспламенителя и воспламенения композиционного материала с торца и по поверхности канала группы шашек.

Предлагаемый термоисточник изображен на фигуре и включает легкий упругопластичный поливинилхлоридный (ПВХ) корпус 1, который снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом в виде группы прессованных шашек с центральными каналами 2. Образуемый при снаряжении зазор между шашками и корпусом термоисточника заполнен способным к отверждению заливочным раствором 3. Центральный канал группы шашек с обоих концов предварительно закрыт прочными цилиндрическими прокладками 4. Между воспламенителем с электрической спиралью 5 и композиционным материалом 2 термоисточник содержит слой дополнительного воспламенительного состава 6, способного воспламеняться от воспламенителя 5 и воспламенять газогенерирующую композицию с торца и по поверхности канала группы шашек. Корпус термоисточника с обоих торцов герметизирован слоями из эпоксидного компаунда 7 и герметика на основе тиокола 8. К корпусу термоисточника в верхней части подсоединен патрубок с окошками 9, заканчивающийся кабельной головкой 10 для подсоединения к кабель-тросу.

Термоисточник работает следующим образом. С помощью подсоединяемого к кабельной головке 10 кабель-троса термоисточник спускают на забой скважины и устанавливают напротив обрабатываемого интервала пласта. С устья скважины через кабель-трос подают электрический импульс на воспламенитель 5, которым воспламеняют дополнительный воспламенительный состав 6. От последнего происходит воспламенение газогенерирующей композиции вначале с торца, за счет чего происходит раскрытие центрального канала. Газообразные продукты горения устремляются в канал, воспламеняя поверхность канала и создавая в нем давление. За счет этого вышибается верхняя прокладка, предварительно закрывающая канал. С этого момента продукты горения вытекают не только снизу канала, но и сверху, проходя через окошки патрубка 9 в ствол скважины. Сгорание группы шашек 2 композиции при этом осуществляется радиально, охватывая последовательно всю толщину горящего свода. Из-за относительно малой толщины горящего свода и соответственно малого времени сгорания этой толщины в интервале обработки создается высокий импульс давления нагретых газообразных продуктов горения, превышающего пластовое давление, что приводит к образованию термогазогидроразрыва пласта с разветвленной сетью трещин вокруг перфорационных каналов.

Возможность формирования композиционного материала термоисточника прессованием в виде группы шашек с центральными каналами в предлагаемом изобретении реализуется путем замены жидкого способного к отверждению эпоксидного компаунда, включающего эпоксидную смолу ЭД-20, пластификатор ЭДОС и отвердитель Агидол и делающего всю композицию не способной к прессованию из-за ее высокой адгезии к металлу прессинструмента, на твердую порошкообразную поливинилхлоридную хлорированную смолу марки ПСХ-ЛС.

Как показали исследования, использование порошкообразной смолы ПСХ-ЛС в эффективном количестве 20% мас. позволяет осуществлять прессование качественных шашек с центральными каналами и гладкими поверхностями при сравнительно низком удельном давлении прессования, равном 100 МПа, и при котором достигается высокая относительная плотность 0,95, а фактическая плотность шашек составляет 1,63 г/см³. Прочность на сжатие предлагаемого композиционного материала равна 47 МПа, что находится на уровне материала композиции-прототипа. Скорость горения материала композиции, определенная в стендовых условиях, имитирующих скважинные условия жидкой среды и давления, составляет 12-14 мм/с в области давления 50-60 МПа, что обеспечивает при толщине горящего свода, равной 25 мм, время его горения около 2 сек, необходимое для создания высокого импульса давления при гидроразрыве пласта. Введение в композицию термоисточника порошкообразной поливинилхлоридной хлорированной смолы обладает также тем преимуществом, что она облегчает операцию смешения компонентов композиции и, не менее важно, является кислотообразующим компонентом с содержанием 64% мае. хлора, способного образовывать при реакции сгорания композиции высокотемпературную и химически высокоактивную соляную кислоту и повысить эффективность обработки скважины.

В связи с тем, что диаметр шашки из композиционного материала меньше внутреннего диаметра корпуса термоисточника, образующийся при снаряжении зазор должен быть заполнен предварительно маловязким, способным при последующем отверждении к переходу в прочный слой, заливочным раствором, чтобы устранить при воздействии скважинного давления возможность растрескивания и нарушения герметичного корпуса термоисточника.

В качестве такого заливочного раствора после предварительной отработки использовался жидкий эпоксидный компаунд в соотношении 76/16/8 его компонентов-эпоксидной смолы ЭД-20, отвердителя Агидол и пластификатора ЭДОС, по вязкости способный свободно заливаться в зазор величиной около 2 мм, а после одних суток отверждаться с величиной прочности на сжатие, равной 107 МПа. Эта величина существенно превосходит значение прочности шашек композиционного материала, равное 47 МПа, что способствует общему повышению прочности термоисточника.

Композиционный материал в корпусе термоисточника должен быть сформирован в герметичном исполнении, поэтому торцевые части его покрыты слоями из способных к отверждению слоями из эпоксидного компаунда и герметика на основе тиокола. В области центрального канала эти герметизирующие слои не способны, однако, выдержать скважинное давление, что может привести к попаданию скважинной жидкости в канал и преждевременному отказу в работе термоисточника. Для предотвращения этого концы центрального канала закрываются прочными металлическими прокладками необходимой толщины, затем поверхность верхней шашки заливается слоем эпоксидного компаунда толщиной 2 мм и после отверждения его наносится слой тиокольного герметика такой же толщины.

В качестве воспламенителя термоисточника обычно применяется состав, включающий, % мас: аммиачную селитру - 70, бихромат калия - 10, эпоксидную смолу (марки ЭД-20) - 13,2, пластификатор марки ЭДОС - 1,6 и отвердитель (марки АФ-2) - 5,2 и срабатывающий от электрической спирали накаливания. Однако, как показали предварительные испытания, из-за трудной воспламеняемости от него композиционного материала шашек и случаев отказа, в предлагаемом изобретении между воспламенителем и композиционным материалом содержится слой дополнительного воспламенительного состава, который способен воспламеняться от воспламенителя и надежно воспламенять газогенерирующую композицию с торца и по поверхности канала группы шашек. В качестве такого дополнительного воспламенительного состава использована смесь, включающая, % мас.: аммиачная селитра - 72, бихромат калия - 3, эпоксидная смола (марки ЭД-20) - 19, пластификатор марки ЭДОС - 1,5 и отвердитель (марки АФ-2) - 4,5.

Работоспособность предлагаемого термоисточника для термогазогидравлического разрыва пласта подтверждена результатами стендовых испытаний на установке, имитирующей скважинные условия. Установка (см. напр. [8]) представляет удлиненный сосуд-скважину высокого давления внутренним диаметром 122 мм, заполненный до определенного уровня водой и герметизированный крышкой. Регулированием высоты воздушного пространства над уровнем воды обеспечивается достижение величины рабочего давления в сосуде, не превышающего допустимое. В корпусе сосуда расположен датчик давления для непрерывной регистрации изменения давления в сосуде во времени.

Для стендовых испытаний использован натурный образец термоисточника, по конструкции соответствующий чертежу фиг.1, диаметром ПВХ корпуса 75 мм, снаряженный композиционным материалом из двух шашек диаметром 64 мм с центральным каналом диаметром 15 мм общей массой 580 г и дополнительным воспламенительным составом массой 150 г и высотой 25 мм. Прокладки из стали, закрывающие центральный канал, имели диаметр 18 мм и толщину 1,2 мм.

Результаты стендовых испытаний образца термоисточника в виде зависимости изменения давления от времени его горения представляет на фигуре 2, которые показывают, что после сгорания слоя медленногорящего дополнительного воспламенительного состава, скорость горения которого в области давлений 1-10 МПа составляет 1,0-1,5 мм/с, основной композиционный материал термоисточника создает в течении 2 сек высокий импульс давления с максимальной величиной 56,7 МПа, достаточный для гидроразрыва пласта. Эти данные подтверждают работоспособность предлагаемого термоисточника в скважинных условиях, основным преимуществом которого является недетонационная способность и высокая безопасность при эксплуатации, перевозке и хранении, по сравнению с используемыми в настоящее время для целей гидроразрыва пласта генераторами и аккумуляторами давления на основе зарядов из баллиститного пороха.

Список использованных источников

1. Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник. Под ред. Л.Я. Фридляндера, 2-ое изд., перераб. и доп. Москва «Недра», 1990, с.10-116.

2. Патент РФ №2242600, кл. Е21В 43/263, опубл. 20.12.2004 г.

3. И.Ф. Садыков и др. Основные результаты разработки и внедрения новых экспресс-технологий термоимплозионной и перфорационно-имплозионной обработки малодебитной скважин. НТВ «Каротажник», г.Тверь; изд. АИС, 2001, вып.86, С.57-60.

4. Патент РФ №2075597, кл. Е21В 43/25, опубл. 20.03.97, Бюл. №8.

5. Патент РФ №2138630, кл. Е21В 43/25, опубл. 27.09.99, Бюл. №27.

6. Патент РФ №2313663, кл. Е21В 43/18, С09К8/70, опубл. 27.12.07, Бюл. №36.

7. Патент РФ №2436827, кл. C09K 8/528, 8/594, опубл. 20.12.2011, Бюл. №35.

8. Патент РФ №2114984, зарег. 10.07.1998.

Изобретение относится к устройствам для обработки призабойной зоны за счет гидроразрыва пласта газообразными продуктами сгорания твердых топлив. Термоисточник включает корпус, который снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом, воспламенитель, срабатывающий от электрической спирали, и герметизирующие торцы материала газогенерирующей композиции слои из эпоксидного компаунда и герметика на основе тиокола. Газогенерирующий при сгорании композиционный материал термоисточника содержит в эффективном количестве 20% мас. порошкообразную поливинилхлоридную хлорированную смолу марки ПСХ-ЛС при следующем соотношении компонентов композиции, % мас.: аммиачная селитра гранулированная марки Б - 57,0±0,2; бихромат калия - 3,0±0,1; алюминиевый порошок марки АСД-4 - 5,0±0,1; азотнокислый барий - 15,0±0,2; поливинилхлоридная смола марки ПСХ-ЛС - 20,0±0,2. Образующийся при снаряжении зазор между шашками и корпусом термоисточника заполнен способным к отверждению заливочным раствором. Между воспламенителем и композиционным материалом термоисточник содержит слои дополнительного воспламенительного состава с возможностью воспламенения его от воспламенителя и воспламенять газогенерирующую композицию с торца и по поверхности канала термоисточника. Технический результат заключается в повышении безопасности эксплуатации, перевозки и хранения устройства для гидроразрыва пласта. 2 ил.

Термоисточник для термогазогидравлического разрыва пласта, включающий выполненный из легкого упругопластичного материала корпус, который снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом, состоящим из смеси аммиачной селитры гранулированной марки Б, бихромата калия, алюминиевого порошка марки АСД-4 и азотнокислого бария; воспламенитель, срабатывающий от электрической спирали, и герметизирующие торцы материала газогенерирующей композиции слои из эпоксидного компаунда и герметика на основе тиокола, отличающийся тем, что газогенерирующий при сгорании композиционный материал термоисточника содержит в эффективном количестве 20 мас.% порошкообразную поливинилхлоридную хлорированную смолу марки ПСХ-ЛС при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:
Аммиачная селитра гранулированная марки Б 57,0±0,2 Бихромат калия 3,0±0,1 Алюминиевый порошок марки АСД-4 5,0±0,1 Азотнокислый барий 15,0±0,2 Поливинилхлоридная смола марки ПСХ-ЛС 20,0±0,2

с возможностью формирования композиционного материала прессованием в виде группы шашек с центральными каналами; образующийся при снаряжении зазор между шашками и корпусом термоисточника заполнен способным к отверждению заливочным раствором, центральный канал с обоих концов предварительно закрыт прочными цилиндрическими прокладками, при этом термоисточник между воспламенителем и композиционным материалом содержит слой дополнительного воспламенительного состава с возможностью воспламенения его от воспламенителя и воспламенять газогенерирующую композицию с торца и по поверхности канала группы шашек.