Термоисточник для термогазодинамического разрыва пласта

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для повышения производительности нефтяных скважин путем обработки призабойной зоны за счет разрыва пласта газообразными продуктами сгорания порохов 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, для этих целей применяют пороховые генераторы давления типа ПГД.БК или аккумуляторы давления типа АДС [Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник. Под ред. Л.Я. Фридляндера, 2-ое изд., перераб. и доп. Москва «Недра», 1990, с. 10-116]. 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 газодинамического разрыва 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 [Патент РФ №2242600, опубл. 20.12.2004 бюлл. №35], 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 газодинамического разрыва пласта, является их детонационная способность и связанная с ней высокая опасность, которая может привести к нарушению целостности скважины в случае возникновения аварийной ситуации при их детонации. Такие заряды, кроме того, требуют особых условий при хранении, транспортировке и эксплуатации, так как по сути своей являются взрывчатыми веществами.

Известны так называемые термоисточники, применяемые самостоятельно или в устройствах для термоимплозионной обработки призабойной зоны скважин. Так, например, термоисточник для обработки призабойной зоны скважины [Патент РФ №2436827, опубл. 20.12.2011, бюлл. №35] сформирован из композиции, 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 температуру 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 композиции, 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 данного термоисточника для обработки призабойной зоны скважины является то, что он снаряжен композицией, имеющей температуру горения, равную 2360°С, что находится на уровне этого показателя для баллиститных порохов, другим преимуществом является невзрывчатый характер используемой в нем композиции. Недостатком термоисточника является то, что из его композиции можно изготавливать 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. Однако для создания высокого и кратковременного импульса с целью разрыва пласта необходимо, чтобы материал композиции сгорал за время в интервале 0,3-1,0 сек.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является термоисточник для термогазогидравлического разрыва пласта [Патент РФ №2492319, опубл. 10.09.2013, бюлл. №25] включающий корпус, который снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом, воспламенитель, срабатывающий от электрической спирали. Газогенерирующий при сгорании композиционный материал термоисточника содержит в качестве горючей связки в эффективном количестве 20% мас. порошкообразную поливинилхлоридную хлорированную смолу марки ПСХ-ЛС при следующем соотношении компонентов композиции, % мае: 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. При этом шашки изготавливаются отдельно, а затем ими снаряжается корпус термоисточника. Образующийся при снаряжении зазор между шашками и корпусом термоисточника заполняется способным к отверждению заливочным раствором. Между воспламенителем и композиционным материалом термоисточник содержит слой дополнительного воспламенительного состава с возможностью воспламенения его от воспламенителя, что позволяет воспламенять газогенерирующую композицию с торца и по поверхности канала термоисточника. Возможность формирования композиционного материала термоисточника прессованием в виде группы шашек с центральными каналами в способе - прототипе 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, по мнению авторов, к прессованию, из-за ее высокой адгезии к металлу прессинструмента, на твердую порошкообразную поливинилхлоридную хлорированную смолу марки ПСХ-ЛС. Формирование материала термоисточника в виде прессован-ных шашек с центральными каналами, как и в генераторах и аккумуляторах давления на основе баллиститного пороха, позволяет увеличить поверхность воспламенения и горения, что существенно уменьшает время горения газогенерирующего материала, так как при наличии канала это время определяется толщиной горящего свода. Однако, несмотря на то, что увеличение поверхности горения позволяет значительно сократить общее время сгорания заряда термоисточника и довести его до нескольких секунд (около 2), сама рецептура композиции термоисточника не является быстрогорящей, содержит катализаторы (бихромат калия) и энергетические добавки (алюминий) не позволяющие значительно увеличить скорость горения аммиачной селитры. Это не позволяет с помощью данного устройства создавать кратковременные импульсы (0,3-1,0 сек.) давления и эффективно производить разрыв пласта. Также формирование материала термоисточника в виде изготовленных отдельно прессованных шашек с центральными каналами и слоем дополнительного воспламенительного состава с последующей заливкой зазора между корпусом термоисточника и шашками специальным раствором является в целом трудоемким, нетехнологичным и малопроизводительным процессом.

В предлагаемом изобретении решается задача усовершенствования термоисточника и газогенерирующего при сгорании материала композиции путем устранения указанных недостатков.

Задача решается тем, что в термоисточнике для термогазодинамического разрыва пласта, корпус с герметичными торцами, снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом, состоящим из смеси аммиачной селитры гранулированной марки Б, катализатора, энергетической добавки, горючего связующего, воспламенителя срабатывающего от электрической спирали, согласно изобретению в качестве катализатора композиционный материал содержит перманганат

калия, в качестве энергетической добавки техуглерод марки П-803, в качестве горючего связующего эпоксидный компаунд включающий, мас. %: эпоксидную смолу марки ЭД-20 - 76; пластификатор марки ЭДОС - 8; агидол марки АФ-2М - 16, при следующем соотношении компонентов композиции, мас. %:

путем формирования композиционного материала послойным прессованием непосредственно в корпус термоисточника в виде твердого монолитного материала.

Предлагаемый термоисточник изображен на фигуре 1 и включает корпус 1, который снаряжен газогенерирующим при сгорании композиционным материалом в виде твердого монолитного материала 2. В нижней торцевой части находится воспламенитель 3 с электрической спиралью 4. Корпус термоисточника с обоих торцов герметизирован слоями из эпоксидного компаунда 5 и герметика на основе тиокола 6. Термоисточник помещается в металлический контейнер с окошками 7, в верхней части которого находится кабельная головка 8 для подсоединения к кабель-тросу.

Термоисточник работает следующим образом. С помощью подсоединяемого к кабельной головке 8 кабель-троса устройство спускают на забой скважины и устанавливают напротив обрабатываемого интервала пласта. С устья скважины через кабель-трос подают электрический импульс на воспламенитель 3. От последнего происходит воспламенение газогенерирующей композиции. Сгорание газогенерирующей композиции происходит за доли секунды вследствие реализации объемного (конвективного) режима горения. Продукты горения истекают через окошки

контейнера 7 в ствол скважины. Из-за малого времени сгорания материала термоисточника в интервале обработки создается импульс давления высокотемпературных газообразных продуктов горения, превышающий пластовое давление, что приводит к термогазодинамическому разрыву пласта с разветвленной сетью трещин вокруг перфорационных каналов.

Формирование композиционного материала термоисточника послойным прессованием в виде однородного монолитного материала в предлагаемом изобретении реализуется путем введения в состав композиции способного к отверждению эпоксидного компаунда в количестве 7-14% мае, включающего эпоксидную смолу ЭД-20, пластификатор ЭДОС (ЭДОС -пластификатор с широким спектром применения. Является смесью полифункциональных соединений: гидроксильные и эфирные группы, кислородосодержащие циклы [ТУ 2493-003-13004749-93]) и отвердитель агидол АФ-2 (представляет собой продукт взаимодействия фенола и этилендиамина в формальдегиде [ТУ 2494-052-00205423-2004 ЗАО «Химэкс Лимитед»]). Причем при указанном количестве жидкого компаунда в исходной смеси, материал прессуемой смеси является полусухим и прекрасно уплотняется без признаков адгезии к инструменту прессоснастки. Формирование материала термоисточника осуществляется путем порционного, послойного прессования (с давлением, не превышающим 20 МПа) прямо в корпус равными порциями смеси высотой около 20 мм и происходит непрерывно до достижения требуемой плотности и массы газогенерирующей композиции. Отверждение композиционного материала термоисточника происходит в течение 12 часов при температуре 20°С, при этом достигается прочность на сжатие материала не менее 45 МПа. Композиционный материал в корпусе термоисточника формируется в герметичном исполнении, поэтому его торцевые части покрыты способными к отверждению слоями из эпоксидного компаунда и герметика на основе тиокола.

Как показали исследования, использование в качестве катализатора горения вместо бихромата калия перманганата калия в эффективном количестве 7-11% мас. позволяет значительно увеличить скорость горения аммиачной селитры, при этом меняется сам характер горения - оно переходит в режим объемного, конвективного горения, характерного для порохов и смесевых твердых топлив. Введение в композицию термоисточника в качестве энергетической добавки техуглерода марки П-803 (технический углерод (техуглерод) - высокодисперсный углеродистый материал, который образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов, содержащихся в природных или промышленных газах, а также в жидких продуктах нефтяного или каменноугольного происхождения [ГОСТ 7885-86]) в количестве 4-6% мас. позволяет не только обеспечить высокую температуру горения материала газогенерирующей композиции (около 2200°С), но и играет дополнительную катализирующую роль процесса горения. В качестве воспламенителя термоисточника применяется состав, включающий, % мае: аммиачную селитру - 70, перманганат калия - 10, эпоксидную смолу марки ЭД-20 - 13,2, пластификатор марки ЭДОС - 1,6, отвердитель агидол марки АФ-2 - 5,2 и срабатывающий от электрической спирали накаливания.

Необходимо отметить, что композиционный материал термоисточника является невзрывчатым, по классу опасности относится к категории 913, что обеспечивает высокую безопасность при его применении, транспортировке и хранении.

Работоспособность предлагаемого термоисточника для термогазодинамического разрыва пласта подтверждена результатами стендовых испытаний на установке, имитирующей скважинные условия. Установка представляет собой удлиненный сосуд высокого давления внутренним диаметром 122 мм и высотой 1800 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 во времени.

Для стендовых испытаний использован натурный образец термоисточника, по конструкции соответствующий чертежу фигуры 1, с наружным диаметром корпуса из ПВХ (поливинилхлорида) 63 мм и внутренним диаметром 57 мм, снаряженного композиционным материалом общей массой 400 г. Соотношение компонентов композиционного материала термоисточника было взято в следующих количествах, % мас.:

Для сравнения были изготовлены и испытаны образцы термоисточника по изобретению - прототипу (пат. №2492319) такой же массы. Средние результаты испытаний по данным трех параллельных опытов приведены в таблице.

Результаты стендовых испытаний образца термоисточника в виде

зависимости изменения давления от времени его горения представлены также на фигуре 2, которые показывают, что газы, выделяющиеся при сгорании композиционного материала термоисточника, создают в течение 0,44 сек. импульс давления с максимальной величиной 28,7 МПа.

Эти данные подтверждают работоспособность предлагаемого термоисточника в скважинных условиях, основными преимуществами которого являются высокие технические характеристики, простота изготовления и безопасность при эксплуатации, перевозке и хранении.

Термоисточник для термогазодинамического разрыва пласта, включающий корпус с герметичными торцами, снаряженный газогенерирующим при сгорании композиционным материалом, состоящим из смеси аммиачной селитры гранулированной марки Б, катализатора, энергетической добавки, горючего связующего, и воспламенитель, срабатывающий от электрической спирали, отличающийся тем, что газогерирующий при сгорании композиционный материал содержит в качестве катализатора перманганат калия, в качестве энергетической добавки - техуглерод марки П-803, в качестве горючего связующего - эпоксидный компаунд, включающий, мас.%: эпоксидную смолу марки ЭД-20 – 76, пластификатор марки ЭДОС – 8, агидол марки АФ-2М - 16, при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:

и введен путем его формирования послойным прессованием непосредственно в корпус термоисточника в виде твердого монолитного материала.