Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин
Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной промышленностям и предназначено для разрыва и термогазохимической обработки призабойной зоны пласта газообразными продуктами горения твердого ракетного топлива с целью интенсификации добычи полезных ископаемых: нефти, газа, в т.ч. из угольных пластов, металлов при добыче их методом подземного выщелачивания. Обеспечивает увеличение скорости нарастания давления пороховых газов со временем и эффективности воздействия на пласт за счет применения в сборке газогенератора бронированных и небронированных зарядов различной конфигурации, взятых в определенном соотношении, и увеличения их общего количества, а также использования мощных высокоскоростных воспламенителей. Сущность изобретения: устройство включает пороховые трубчатые бронированные заряды, размещенный под ними воспламенительный заряд и грузонесущий геофизический кабель с элементами крепления конструкции. Между воспламенительным зарядом и бронированными по внешней поверхности зарядами размещены небронированные трубчатые заряды. При этом их количество относительно бронированных определено по формулам. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для разрыва и термогазохимической обработки призабойной зоны пласта пороховыми газами в скважинах различного назначения: при интенсификации добычи нефти и газа, при обезвоживании, дегазации и добыче метана на угольных пластах, при добыче металлов методом подземного выщелачивания.
Изобретение относится к устройствам, использующим режим горения твердых энергоносителей, в данном случае - твердого ракетного топлива. Эффективность воздействия таких устройств на пласт с целью улучшения его фильтрационных характеристик в призабойной зоне зависит от множества факторов, прежде всего, от амплитуды и динамики нарастания создаваемого в зоне горения импульса давления и общей длительности воздействия, определяющих количество и протяженность создаваемых трещин. Известны многочисленные аналоги устройства - газогенераторы на твердом топливе, спускаемые в скважину на кабеле и отличающиеся конструкцией и возможностями воздействия на пласт. В патенте США N 3174545 [1] предложено устройство, содержащее герметичные заряды из зерненного пороха, пластин и т.п. с толщиной горящего свода до 1 мм. Устройства с такого же типа зарядами, но работающими в режиме пульсаций или с пакерующими системами описаны в патенте США N 3422760 [2] и работе [3], а также в патенте США N 3090436 [4] и работе [5]. Для устройств этой группы характерно наличие металлического или полихлорвинилового корпуса. Создаваемый ими импульс давления по времени относительно небольшой (до нескольких миллисекунд), регулировка импульса давления осуществляется соотношением количества пороховых частиц различных размеров и форм и выбором оптимальной массы заряда. В патенте США N 4530396 [6] предложено устройство, состоящее из двух зарядов. Верхний заряд, заключенный в герметичную оболочку, изготовляется из зерненого пороха, а пространство между зернами пороха заполнено маслом. Второй заряд расположен ниже и изготовлен из баллиститного пороха. Воспламенение осуществляется в центральном канале зарядов электровоспламенителем, либо в комбинации с быстрогорящим линейным воспламенителем различной длины. Первый заряд создает первоначальный импульс давления длительностью первые десятки миллисекунд и величиной, достаточной для разрыва пласта. За ним следует протяженный по времени участок относительно пониженного давления, но достаточного для увеличения размеров трещин, образованных начальным импульсом давления. Как и вышеуказанных устройств, недостатками его являются сложность изготовления герметичных зарядов из зерненного пороха, а также возможность воздействия на пласт импульсом только с высокоскоростным фронтом нарастания давления и малой продолжительности. В патентах США N N 4683943 [7] и 5005641 [8] описаны устройства с применением зарядов из твердого ракетного топлива и быстросгорающих мощных линейных воспламенителей. В первом устройстве заряды имеют защитное внешнее покрытие. При соответствующей сборке они могут работать в циклическом режиме, а также с кумулятивным перфоратором. Во втором устройстве заряды помещены в металлический перфорированный корпус. Оба устройства отличаются от вышеописанных тем, что регулировка импульса давления осуществляется только выбором массы заряда, они создают меньшую скорость нарастания, но большую продолжительность эффективного импульса давления, до 100 мс. (Эффективное давление - величина давления, составляющая примерно 0,8 горного давления, достаточная для образования искусственных трещин). Работа всех перечисленных газогенераторов характеризуется высокой скоростью нарастания нагрузки на пласт, превышающей 104 МПа/с, что по материалам американских исследователей [9, 10] приводит к образованию многочисленных трещин. Известна конструкция газогенератора с зарядами твердого ракетного топлива, в котором для увеличения скорости нарастания давления и образования множества трещин используют систему воспламенения детонационного действия, расположенную в центральных каналах зарядов по всей их длине [11]. Мощный воспламенительный импульс от продуктов детонации шнура создает в зарядах развитую систему новых поверхностей горения. В результате скорость нарастания нагрузки достигает 105 - 106 МПа/с, что приводит к образованию в пласте 4-10 трещин. Диаметр, количество зарядов и энергия системы воспламенения варьируются и могут быть оптимизированы для получения наилучших результатов в конкретной скважине. Общая продолжительность эффективного импульса давления составляет от нескольких до 100-200 мс. Обычно спуск зарядов в скважину осуществляется в стальном перфорированном корпусе. Однако ввиду ограниченных возможностей регулировки продолжительности действия давления разрыва пласта протяженность образующихся трещин не превышает 5-7 м. Увеличение количества зарядов в сборке газогенератора приводит к резкому возрастанию максимального давления пороховых газов и, как следствие, к возможным повреждениям конструкции скважины. Известны скважинные аккумуляторы давления АДС [12], где значительная по массе и длине сборка газогенератора из небронированных зарядов поджигается снизу и сверху одновременно электрической спиралью, вмонтированной в торцы воспламенительных зарядов. Недостаточная мощность теплового импульса поджига зарядов и длительное время распространения газового фронта воспламенения снизу вверх по скважине обуславливают невысокую скорость газообразования и генерацию продолжительного по времени импульса давления со скоростью нарастания нагрузки









V


где U - текущая скорость горения;
U1 - скорость горения при P=P1;
S(t) - текущая поверхность горения. Из уравнений (1) и (2) следует, что


при

где K1 и K2 - коэффициенты пропорциональности, определяемые из уравнений (1) и (2);
S0 и S





где D0 и d0 - внешний и внутренний диаметры трубчатого заряда. Справа в уравнении (5) записано значение конечной поверхности известного генератора давления [17], для которого, с достаточной для практических целей степенью точности, длину порохового заряда, обеспечивающего повышение давления в скважине до требуемой величины, определяют по формуле

где

К


D - диаметр скважины. Отсюда

что при D0 >> d0 составляет 0,5. После сгорания всех небронированных зарядов давление несколько уменьшается, а затем снова достигает того же перепада


На фиг. 2 представлены зависимости P(t), полученные расчетным путем на компьютере, при горении известного порохового заряда высотою Hбр = 2 м (кривая 1) и предлагаемого заряда высотою H + Hбр = 1 м + 2 м = 3 м (кривая 2) в 5'' скважине при гидростатическом давлении P0 = 30 МПа. Если в качестве небронированных зарядов применять заряды с большой поверхностью горения, например щелевые или многотрубчатые, то уравнение (5) примет вид

где m - масса заряда;
e - толщина горящего свода заряда. Отсюда:

Таким образом, использование в заявляемой конструкции газогенератора комбинации из бронированных и небронированных зарядов, взятых в определенном соотношении, позволяет увеличить скорость нарастания давления в несколько раз. Если одновременно в предлагаемой конструкции заменить герметичное воспламенительное устройство на негерметичное с дополнительным зажигательным зарядом (фиг. 1), дающее прямой форс огня на ракетное топливо одного-двух воспламенительных зарядов газогенератора с развитой начальной поверхностью горения (см. фиг. 3), то скорость нарастания давления повышается на порядок. Еще большее увеличение скорости нарастания давления достигается путем применения воспламенительного устройства детонационного действия (фиг. 4) со взрывным патроном, детонирующим шнуром и дополнительным зажигательным зарядом из смесевого топлива, размещенными в перфорированном корпусе. При срабатывании такого устройства в топливе воспламеняемого заряда образуется сеть радиальных и концентрических трещин, а дополнительный зажигательный заряд, инициируемый продуктами детонации шнура, дает большое количество воспламенительных газов при высоком давлении. В сочетании с зарядами с высокоразвитой начальной поверхностью горения (фиг. 3) скорость нарастания давления достигает величины

1. Патент США N 3174545. Method of stimulating well production by explosive induced hydraulic fracturing of productive formation. Henry H. Mohaupt (США).-N 708481; Заявл. 13.01.58; Опубл. 23.03.65; НКИ 166/36. 2. Патент США N 3422760. МКИ E 21 B 43/26. Gas - generating device for stimulating the flow of well fluids. Henry H. Mohaupt (США). - N 584563; Заявл. 05. 10.66; Опубл. 21.01.69; НКИ 102- 21.6. 3. Shrnidf R.A., Warpinski N.R., Cooper P.W. Jn Situ Evaluation of Several Tailored - Pulse Well Shooting Concepts//Paper SPE 8934 presented at the SPE/DOE Symposium on Unconventional Gas Recovery. Pittsburgh. 1980, May. 4. Патент США N 3090436. Wire line hydraulic fracturing tool. Geerge K. Briggs, Halliburton Co (США).-N 844, 670; Заявл. 06.10.59; Опубл. 21.05.63; НКИ 166/63. 5. Guderman J.F., Nothrop D.A. A Propellant - Based Technology for Multiple Fracturing Wellbores to Enchance Gas Recovery: Aplication and Results in Devonian Shale //Unconventional Gas recovery Symposium. Pittsburgh, P.A. May, 1984. 6. Патент США N 4530396, МКИ3 E 21 B 29/02, E 21 B 43/25. Device for stimulating a subterranean formation. Henry H. Mohaupt (США). - N 483251; Заявл. 08.04.83; Опубл. 23.07.85; НКИ 166/63. 7. Патент США N 4683943, МКИ3 E 21 B 21/02. Well Treating system for stimulating recovery of fluids. Gilrnan A. Hill, Richard S. Passmaneck, Kevell J. Tonrym; Mt. Moriaach Trust (США). - N 890077; Заявл. 24.07.86; Опубл. 04.08.87; НКИ 166/63. 8. Патент США N 5005641, МКИ3 E 21 B 43/263; F 42 В 3/10. Gas generator with improved ignition assembly. Henry H. Mohaupt (США). - N 546, 898; Заявл. 02.08.90; Опубл. 09.04.91; НКИ 166/63. 9. Pionering new concepts in wireline conveyed stimulation and serveillance. Hi Tech natural resources, Jnc, 1991. 10. Swift R.P., Kusubov A.S. Multiple Fracturing of Boreholes By Using Tailored - Pulse Loading. SPE Journal, 1982, N 12, pp. 923 - 932. 11. Haney В. , Cuthill D. Technical review of the high energy gas stimulation technique. Computalog Ltd, 1996. 12. Чазов Г.А., Азаматов В.И. и др. Термохимическое воздействие на малодебитные и осложненные скважины. М.: Недра, 1986. 13. Авторское свидетельство СССР N 1704513 A1, 5 кл. E 21 B 43/263. Устройство для воздействия на пласт давлением продуктов сгорания твердого топлива. Сухоруков Г.И., Беляев Б.М. и др. Заявл. 03.05.1988, Зарегистрировано 08.09.1991. 14. Патент РФ N 2018508, C1, 5 С 06 С 5/00. Твердотопливный скважинный газогенератор. Крощенко В. Д. , Колясов С.М. и др. Заявл. 02.01.90; Опубл. 30.08.94, Бюл. N 16. 15. Патент РФ N 2047744, C1, 6 E 21 B 43/11, 43/26. Устройство для воздействия на пласт. Гайворонский И.Н., Крощенко В.Д. и др. Заявл. 23.03.92; Опубл. 10.11.95; Бюл. N 31. 16. Патент РФ N 933959, М.кл3 E 21 B 43/26, (прототип). Пороховой генератор давления для скважины. Беляев Б.М., Слиозберг Р.А. и др. Заявл. 06.11.1980; Опубл. 07.06.1982; Зарегистрировано 24.08.1995. 17. Инструкция по применению пороховых генераторов давления ПГД.БК в скважинах. Беляев Б.М., Грибанов Н.И. и др., М., ВИЭМС, 1989.0
Формула изобретения


где D0, d0 - внешний и внутренний диаметры бронированного и небронированного трубчатого заряда. 2. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что воспламенительный заряд имеет устройство его поджига, состоящее из воспламенительного или взрывного в защитной оболочке патрона, перфорированной трубки и заряда смесевого топлива, в канале которого размещен детонирующий шнур. 3. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин, включающий пороховые трубчатые бронированные заряды, размещенный под ними воспламенительный заряд и грузонесущий геофизический кабель с элементами крепления конструкции, отличающийся тем, что между воспламенительным зарядом и бронированными по внешней поверхности зарядами размещены небронированные трубчатые заряды с большой начальной поверхностью горения, при этом их количество (


где D0, d0 - внешний и внутренний диаметры трубчатого бронированного и небронированного заряда;
е - толщина горящего свода заряда. 4. Газогенератор по п.3, отличающийся тем, что воспламенительный заряд имеет устройство его поджига, состоящее из воспламенительного или взрывного в защитной оболочке патрона, перфорированной трубки и заряда смесевого топлива, в канале которого размещен детонирующий шнур.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4