Пиротехническое топливо для термогазогенераторов, применяемых для обработки продуктивного пласта в нефтяных скважинах

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к стимуляции скважин с целью увеличения добычи углеводородного сырья путем термогазохимической обработки прискважинной зоны пласта или для гидроразрыва пласта при помощи давления газообразных продуктов горения пиротехнического композиционного материала. Техническим результатом является получение пиротехнического топлива для термогазогенераторов с высокими деформационно-прочностными свойствами, высокими “силой” и температурой горения, а также с повышенным содержанием в продуктах горения галоневодородов, обеспечивающих химическую обработку пласта - растворение не только карбонатных, но и терригенных пород, что повышает пористость скелета пласта, а также снижающих количество образующихся твердых окислов. Пиротехническое топливо для обработки прискважинной зоны пласта содержит, мас.%: перхлорат аммония и/или калия 40-60, металлическое горючее 5,0-20,0, термопластичный галогенсодержащий каучук остальное. Возможно содержание в качестве металлического горючего алюминиевого порошка, в качестве термопластичного галогенсодержащего каучука – сополимера трифторэтилена с винилиденфторидом, дополнительно – 1,0-3,0 мас.% пластификатора – диоктилсебацината, 0,5-1,5 мас.% стеарата из ряда: стеарат кальция, стеарат магния, стеарат алюминия, или смеси любых из них, 1,5 – 4,0 мас.% фторсодержащего модификатора - политетрафторэтилена. 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для стимуляции скважин с целью увеличения добычи углеводородного сырья путем термогазохимической обработки прискважинной зоны пласта или для гидроразрыва пласта при помощи давления газообразных продуктов горения термогазогенератора.

Известен состав пиротехнического топлива эластитного типа на основе перхлората калия и этиленпропиленового каучука, используемый в скважинном воспламенительном патроне [1] и в аккумуляторах давления для скважин [2]. Недостатком этого топлива является относительно невысокая удельная мощность - “сила” и наличие в продуктах горения большого количества твердых частиц, не производящих полезную работу в скважине. Такой состав пригоден для гидроразрыва пласта, но малопригоден для термогазохимической обработки его, поскольку при горении его образуется мало газов, и при этом не образуются вещества, способные к химическому взаимодействию со скелетом породы.

Известен состав пиротехнического топлива на основе перхлората аммония в смеси с эпоксидной смолой, предложенный в патенте [3] для закачивания скважин. Топливо пригодно для газохимической обработки перфорационных каналов в пласте, так как в продуктах горения его содержится соляная кислота (НС1), растворяющая скелет породы, что повышает его пористость и, следовательно, проницаемость для нефти. Однако это топливо малопригодно для термических обработок и разрыва пласта, поскольку имеет малые величины температуры горения и “силы”. Кроме того, большая часть компонентов хорошо растворяется в воде, поэтому для применения его в скважинах требуется обязательно использовать прочный герметичный корпус.

Известен также состав пиротехнического топлива [4], содержащий металлическое горючее - порошок магния или алюминия, или их смесь в количестве 50-75 мас.%, неорганический окислитель нитраты щелочных или щелочноземельных металлов в количестве 19-40 мас.%, а в качестве связующего - органические смолы в количестве 5-6 мас.%. Изделия из этого гидрореагирующего топлива заключены в герметичный корпус, при его сгорании в скважинной водяной среде образуется большое количество тепла и пара, способных создавать однократный импульс давления заданной величины. Недостатком этого топлива является то, что в продуктах горения образуется очень большое количество твердых частиц (оксидов магния и алюминия), которые не производят полезной работы в скважине, а при газодинамической продувке перфорационных каналов, способных закупоривать естественные поры. Кроме того, при горении топлива не образуются галогеноводороды (например, НС1), способные производить химическое воздействие на скелет породы. Топливо пригодно, главным образом, для тепловых обработок и совершенно не пригодно для газохимических обработок прискважинной зоны пласта.

Наиболее близким аналогом к предложенному является пиротехническое топливо для обработки прискважинной зоны пласта, содержащее неорганический окислитель - перхлорат аммония и/или калия, этиленпропиленовый каучук, различные добавки, а также порошкообразный алюминий [5]. Известное топливо также непригодно для химического воздействия на скелет породы.

Задачей изобретения является создание пиротехнического топлива для обработки прискважинной зоны пласта, имеющего высокую эффективность обработки нефтяных пластов, широкие функциональные возможности и позволяющего упростить конструкцию генератора с использованием предлагаемого топлива.

Технический результат заключается в повышении содержания галогенводородов в продуктах горения топлива, обеспечивающих химическую обработку пласта и снижающих количество образующихся твердых окислов.

Технический результат достигается тем, что пиротехническое топливо для обработки прискважинной зоны пласта, содержащее неорганический окислитель - перхлорат аммония и/или калия, металлическое горючее и связующее - термопластичный каучук, содержит в качестве термопластичного каучука термопластичный - галогенсодержащий каучук при следующем соотношении компонентов, мас.%:

перхлорат аммония и/или калия 40,0-60,0

металлическое горючее 5,0-20,0

термопластичный галогенсодержащий

каучук остальное

В качестве металлического горючего оно может содержать алюминиевый порошок, а в качестве термопластичного галогенсодержащего каучука - сополимер трифторхлорэтилена с винилиденфторидом. Кроме того, топливо может дополнительно содержать пластификатор, например диоктилсебацинат, в количестве 1,0-3,0 мас.%; стеарат кальция или магния, или алюминия, или их смесь в количестве 0,5-1,5 мас.% и фторсодержащий модификатор, например политетрафторэтилен, в количестве 1,5-4,0 мас.%.

Предлагаемое топливо позволило получить наиболее высокие энергетические характеристики топлива, например "сила" достигает 1016 кДж/кг, а температура горения 4045К.

Использование в качестве связующего галогенсодержащего каучука - сополимера трифторхлорэтилена с винилиденфторидом (каучука СКФ-32), содержащего в молекуле окислительные атомы фтора и хлора, а также возможное дополнительное использование фторсодержащего модификатора - политетрафторэтилена (ф-4) позволяет, с одной стороны, уменьшить количество необходимого неорганического окислителя в составе и обеспечить высокие физико-химические и реологические характеристики композиции, а с другой - повысить содержание галагеноводородов (НС1, HF) в продуктах горения топлива, необходимых для термогазохимической обработки пласта. Эти вещества, растворяясь в воде, образуют соответственно соляную кислоту, растворяющую карбонатные породы (СаСО₃+2НСl=CaCl₂+Н₂СО₃), и фтористоводородную кислоту, растворяющую не только карбонатные, но и терригенные породы, что повышает пористость скелета пласта.

Топливо может содержать и другие термопластичные галогенсодержащие каучуки, например СКС-26 - сополимер винилиденфторида с гексафторпропиленом.

Важно подчеркнуть, что в продуктах горения предлагаемых топлив общее содержание галогеноводородов (НСl+HF) ~ в 1,5 раза больше, чем содержание НСl в продуктах горения известных аналогов топлив на основе перхлората аммония (HF при этом отсутствует).

Технологические добавки (стеараты металлов) обеспечивают снижение внешнего трения композиций и возможность их переработки в готовые изделия высокопроизводительным методом проходного прессования. Пластификатор, например диоктилсебацинат, или дибутилфталат, или другой, повышает емкость связующего, снижает вязкость композиции, что также обеспечивает необходимый уровень реологических и технологических характеристик топлива.

Сочетание высоких энергетических, реологических и физико-механических свойств топлива позволяет получить заряды различной формы и размеров, что обеспечивает возможность успешно управлять режимом горения сгораемых элементов и, следовательно, более эффективно использовать его для гидроразрыва пласта в регулируемом режиме в зависимости от свойств пласта и скважины. В этом случае сжигание топлива в скважине производится над зоной перфорации.

Высокая температура продуктов горения топлива (до -4000 К) позволяет успешно осуществлять тепловую обработку прискважинной зоны с целью снижения вязкости нефти и расплавления парафиновых отложений. В этом случае осуществляют торцовое горение сгораемых элементов в зоне перфорации. Продукты горения состава содержат большое количество газообразных веществ, в том числе “долгоживущих”, не растворимых в воде (монооксида углерода, азота, водорода), которые производят газодинамическую очистку перфорационных каналов, расширяя естественные поры и создавая за счет пульсации газового пузыря дополнительную сетку трещин в породе.

В табл.1 приведены рецептуры предлагаемого топлива, расчетные характеристики их горения и содержание газообразных продуктов горения.

Важно подчеркнуть, что в газообразных продуктах горения предлагаемых топлив содержится, кроме того, до 1,5 раз больше чем в известных на основе перхлората аммония, количество НСl и HF (сравни обр.1 и 12 в табл.1), которые, растворяясь в воде, образуют соответственно соляную кислоту, растворяющую карбонатные породы, а также фтористоводородную кислоту, растворяющую терригенные породы, что повышает пористость скелета пласта.

Предлагаемые топлива характеризуются большими, по сравнению с принятыми за прототип, величинами “силы”, температуры Т_V и объема V газообразных продуктов горения (сравни обр. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 с образцами-прототипами 11, 12, изготовленными на основе фенолформальдегидной смолы ФФС, дивинилстирольного сополимера ДСТ-30 и полистирола ПС).

Изделия из образца 11 представляют собой пиротехнические таблетки, получаемые периодическим методом глухого прессования, что существенно ограничивает возможности изготовления изделий различных размеров и форм. Кроме того, такое гидрореагирующее топливо работоспособно только при использовании внешнего окислителя (воды). В отличие от образца 11 композиции перерабатываются в готовые изделия различных размеров и форм высокопроизводительным непрерывным методом проходного прессования. Для горения изделий из предлагаемых топлив не требуется использования внешних окислителей.

Большое содержание в предлагаемых топливах гидрофобного связующего материала (СКФ-32 + ф-4) позволило существенно уменьшить вымывание из изделий в скважинной жидкости NH₄ClO₄, в чистом виде хорошо растворимого в воде. В специально проведенных опытах выдерживали изделия 20/0-80 из топлива с перхлоратом аммония (обр. 7) в водной среде под давлением 50 МПа и температуре 100С в течение суток. Изделия сохранили физико-механические и баллистические характеристики, потеря массы составила 5-6%. При тех же условиях изделия из топлива-прототипа (обр. 12) полностью разрушились. Интересно, что изделия 20/0-80 из предлагаемых топлив (обр. 7) сохранили целостность и баллистические характеристики даже после выдержки в водной среде в более жестких условиях (Р=50 МПа, Т=180С, 24 часа), потеря массы в этом случае составила 15-18%. Это обстоятельство позволило упростить конструкцию устройства, так как отпала необходимость применения герметичного корпуса. Отсутствие корпуса позволяет значительно уменьшить засоряемость скважины несгоревшими осколками.

Использование модификатора ф-4 в предлагаемом топливе обеспечивает не только необходимые реологические и технологические характеристики последнего, но и деформационно прочностные характеристики, существенно превосходящие таковые топлива-прототипа на основе ДСТ-30 (табл.2).

Предлагаемые топлива с 1,5-4,0% модификатора отличаются от известных аналогов существенно более высокими величинами физико-механических показателей (прочность на одноосное растяжение _р в 3-5 раз и разрывная деформация _p в 1,3-2,7 раза).

Предложенный состав пиротехнического топлива позволяет сделать универсальным термогазогенератор для использования в скважинах, его успешно можно применять:

- для гидроразрыва пласта;

- для термогазохимических обработок;

- для тепловых обработок прискважинной зоны пласта.

Устройство термогазогенератора показано на чертеже. Оно состоит из воспламенительного элемента 1 с каналом, блока сгораемых элементов 2, внутри которых размещен отрезок геофизического кабеля или металлический стержень 3. Внизу и вверху всей сборки элементов укреплены наконечники 4. Внутри воспламенительного элемента 1 помещен инициирующий узел 5, прочно прикрепленный к отрезку геофизического кабеля или стержню. В качестве инициирующего узла используется или воспламенительный патрон, описанный в [2], или теплоэлектронагреватель, показанный в [4]. Термогазогенератор работает следующим образом. У устоя скважины собирают устройство по схеме, показанной на чертеже. Прикрепляют сборку к концу геофизического кабеля каротажного подъемника, один проводник от узла инициирования подсоединяют к центральной жиле кабеля, другой - к наружной, заземленной оплетке кабеля. Опускают сборку на заданный горизонт скважины и через пульт подают импульс электрического тока. При этом срабатывает узел инициирования, от него воспламеняется и сгорает сначала воспламенительный элемент, а затем блок сгорающих элементов. После срабатывания всех элементов стержень 3 с наконечниками 4, укрепленные на кабеле, поднимаются на поверхность.

При сгорании всех элементов в скважине выделяется большое количество тепла и газов, благодаря чему возникает импульс давления определенной (в зависимости от формы и размеров элементов) величины, производящей обработку прискважинной зоны продуктивного пласта.

Источники информации

1. Патент РФ №2111448, кл. F 42 C 19/08, опубл. 20.05.1999, Бюл. №14.

2. А.М.Дуванов, И.Г.Гайворонский. Новое поколение пороховых газогенерирующих устройств для стимуляции скважин. НТВ “Каротажник”. Изд-во АИС, Тверь, 1999, выпуск 58.

3. Патент РФ №2173767, кл. Е 21 В 43/117, опубл. 20.09.2001, бюл. №26.

4. Патент РФ №2124630, кл. Е 21 В 43/25, опубл. 10.01.1999, бюл. №1.

5. Патент РФ №2182147, кл. С 06 D 6/06, опубл. 10.05.2002, бюл. №13.

Формула изобретения

1. Пиротехническое топливо для обработки прискважинной зоны пласта, содержащее неорганический окислитель - перхлорат аммония и/или калия, металлическое горючее и термопластичный каучук, отличающееся тем, что в качестве термопластичного каучука оно содержит термопластичный галогенсодержащий каучук, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Перхлорат аммония и/или калия 40,0 - 60,0

Металлическое горючее 5,0 - 20,0

Термопластичный галогенсодержащий каучук Остальное

2. Топливо по п.1, отличающееся тем, что в качестве металлического горючего содержит алюминиевый порошок.

3. Топливо по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве термопластичного галогенсодержащего каучука содержит сополимер трифторхлорэтилена с винилиденфторидом.

4. Топливо по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что дополнительно содержит пластификатор, например диоктилсебацинат, в количестве 1,0-3,0 мас.%.

5. Топливо по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что дополнительно содержит стеарат, выбранный из ряда стеарат кальция, стеарат магния, стеарат алюминия или смеси любых из них в количестве 0,5-1,5 мас.%.

6. Топливо по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что дополнительно содержит фторсодержащий модификатор, например политетрафторэтилен, в количестве 1,5-4,0 мас.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.10.2006

Извещение опубликовано: 20.01.2008        БИ: 02/2008

---