Устройство с пороховым зарядом для стимуляции скважин и способ его осуществления

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано для стимуляции прискважинной зоны нефтегазового пласта в различных скважинах, в том числе в резко наклонных и горизонтальных. Обеспечивает расширение возможностей способа стимуляции скважин, достижение высокого прироста дебита углеводородного сырья из скважин, создание дополнительного низкочастотного виброволнового воздействия на продуктивный пласт с использованием устройства на основе твердотопливных зарядов. Сущность изобретения: устройство содержит соединенный с геофизическим кабелем пороховой заряд, состоящий из твердотопливных элементов, выполненных из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе заряда составляет не более 1,5%. Согласно изобретению твердотопливные элементы заряда закреплены на грузонесущем тросе, проходящем по центральным каналам или снаружи твердотопливных элементов. Между твердотопливными элементами имеются зазоры, закрытые сгораемыми втулками. Кроме того, твердотопливные элементы заключены в защитный кожух, а узел воспламенения выполнен в виде спирали накаливания, вмонтированной в один из твердотопливных элементов или расположен с воспламенительным патроном вблизи топливного элемента с подводящими проводами, подключен к токоведущим жилам геофизического кабеля. При этом между геофизическим кабелем и зарядом имеется предохранительная штанга. Способ по изобретению включает термогазохимическое, барическое и виброволновое воздействия на продуктивный пласт путем сжигания в интервале пласта твердотопливного заряда. Согласно изобретению сжигание заряда осуществляют в горизонтальных скважинах с помощью вышеописанного устройства. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности. Может быть применено для очистки загрязненной прискважинной зоны нефтегазового пласта (ПЗНП) твердотопливными зарядами (ТЗ) с целью увеличения притоков углеводородного сырья.

Аналоги устройства с ТЗ и способы термогазохимической и барической обработки пластов такими устройствами описаны в патентах Российской Федерации [1...6]. Устройства помещают в интервал перфорации скважины вблизи ПЗНП и поджигают. Обработка ими горных пород способствует появлению в них трещин, расширению существующих каналов и т.п. Также происходят изменения свойств жидких ингредиентов продуктивного пласта, стимулирующих увеличение добычи нефти и газа. При значительном повышении давления, вызванном горением ТЗ, эти процессы усиливаются. В предельных случаях возникает высокотемпературный гидроразрыв ПЗНП. Появляются новые трещины и более протяженные магистральные каналы, отходящие, в основном, от перфорационных отверстий скважины.

Известны аналоги - бескорпусный секционный заряд для газодинамического воздействия на пласт [1] и способ стимуляции скважин с его помощью [2]. Заряд состоит из узла воспламенения, канальных пороховых секций заряда, а также оснастки для сбора и стягивания этих секций вплотную друг к другу.

Недостатком устройства является большая масса и количество элементов оснастки. Способ недостаточно эффективен и имеет определенные ограничения по использованию. В частности, рассматриваемая технология не может использоваться для горизонтальных скважин.

Известны другие аналоги - газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин и способ воздействия на пласт, основанный на его использовании [3,4]. Газогенератор содержит пороховые трубчатые бронированные заряды, размещенный под ними воспламенительный заряд и грузонесущий геофизический кабель с элементами крепления конструкции. Между воспламенительным ТЗ и бронированными по внешней поверхности зарядами размещены небронированные трубчатые заряды. При этом количество небронированных трубчатых зарядов относительно бронированных определено по формулам.

При горении зарядов, входящих в состав этого газогенератора, могут возникать низкочастотные (по оценке до 50 Гц) пульсации давления на фоне общего повышения давления в скважине. Они возникают за счет изменения площади горящей поверхности ТЗ и число их не может быть более двух-трех. Тем не менее искривления давления от горения ТЗ приводят к виброволновому воздействию (ВВВ) на пласты. Они дополнительно способствуют увеличению эффективности термогазохимической обработки ПЗНП за счет разрушения стенок трещин и кольматантов знакопеременными нагрузками.

Недостатки аналогов [3, 4] следующие. Устройство достаточно сложное. Оно не работоспособно в горизонтальных скважинах. Небронированные ТЗ от трения по нижней стенке обсадной трубы могут воспламениться. Бронирующее покрытие других ТЗ разрушится от нагрузок, так как оно выполнено из несгораемого, но легко разрушаемого материала. Система поджигания воспламенительного ТЗ сложная и состоит из нескольких элементов, включая и нежелательный для применения детонирующий шнур. Способ воздействия на продуктивный пласт рассмотренным устройством не может быть реализован при этих условиях. Кроме того, с помощью всех перечисленных выше устройств и технологий нельзя индуцировать высокочастотное ВВВ на пласты, например, при частотах свыше одного килогерца.

Такой вид вибровоздействия осуществляют устройствами и способами, описанными в патентах РФ [5, 6]. Они еще больше усиливают эффективность термогазохимической и барической обработок скважин. ВВВ в данном случае происходит в результате вибрационного горения канального ТЗ, которое возникает в его канале, заполненном жидкостью. Такой режим наступает при достижении благоприятных резонансных условий для относительно малых пульсаций давления в зоне горения топлива.

Образовавшиеся первичные высокочастотные волны давления с частотами порядка нескольких десятков килогерц генерируют в окружающую скважину породы. Осуществляется импульсное поступление продуктов сгорания заряда в ПЗНП. При достаточно высоких интенсивностях волн усиливается гидроразрыв пласта. В итоге происходят такие изменения структуры горных пород и свойств жидких ингредиентов, заполняющих их поры, каналы и трещины, при которых усиливаются оттоки этих ингредиентов из пород в скважину и происходит более интенсивная очистка ПЗНП.

Известны и другие аналоги - устройство и соответствующий способ стимуляции скважин, описанные в патенте США №5295545 [7]. Они предназначены, главным образом, для использования в горизонтальных скважинах.

Устройство представляет собой набор цилиндрических ТЗ с каналом, изготовленных из смесевого недетонирующего твердого топлива на основе перхлората аммония и органического связующего, герметично заключенных в гибкие трубы. С их помощью устройство доставляют в интервал ПЗНП.

Воспламенение ТЗ происходит от гидродетонатора, находящегося в запале первого заряда, установленного в начале горизонтального участка скважины и срабатываемого от давления жидкости, нагнетаемой насосом с поверхности. Последующая передача горения другим ТЗ происходит через огнепроводный элемент.

Устройство имеет следующие недостатки. Воспламенение недостаточно надежно, есть опасность невоспламенения ТЗ от жидкости, подаваемой с поверхности. Огнепроводный элемент может разрушаться при резких градиентах давления, вызванных горением ТЗ. Герметизацию зарядов, особенно при высоких температурах и давлениях, трудно осуществить. Воспламенение отдельных ТЗ через некоторое время не может создать необходимых уровней давления для гидроразрыва пласта, в результате чего этот способ недостаточно эффективен. Кроме того, эффективность термогазохимического и барического воздействий на ПЗНП может быть увеличена при помощи дополнительного ВВВ за счет горения ТЗ.

Наиболее близкими аналогами изобретения являются устройство для перфорации скважин и трещинообразования в пласте по пат. РФ №2170339 [8] и описываемый на его основе способ.

Устройство содержит различные варианты соединенного с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивного перфоратора с зарядами взрывчатого вещества и порохового генератора давления с твердотопливными элементами. ТЗ выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе ТЗ составляет не более 1,5%.

Способ стимуляции скважины, реализующий рассмотренное устройство, позволяет создать дополнительное ВВВ на продуктивный пласт. Однако предлагаемая технология не подходит для горизонтальных скважин. Использование кумулятивного перфоратора в данном случае ее усложняет. Для рассмотренных скважин в конструкции устройства с ТЗ необходимо предусмотреть достаточно гибкий и прочный грузонесущий трос и другие элементы оснастки.

Задачей изобретения является расширение возможностей способа стимуляции скважин, достижение высокого прироста дебита углеводородного сырья из ПЗНП в горизонтальных скважинах и создание для них надежного устройства на основе ТЗ без кумулятивных зарядов с ВВВ на продуктивный пласт.

Решение задачи достигается тем, что в известном устройстве с пороховым зарядом для стимуляции скважин, содержащем соединенный с геофизическим кабелем пороховой заряд, состоящий из твердотопливных элементов, выполненных из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе заряда составляет не более 1,5%, новым является то, что твердотопливные элементы заряда закреплены на грузонесущем тросе, проходящем по центральным каналам или снаружи твердотопливных элементов, между твердотопливными элементами имеются зазоры, закрытые сгораемыми втулками, кроме того, твердотопливные элементы заключены в защитный кожух, а узел воспламенения выполнен в виде спирали накаливания, вмонтированной в один из твердотопливных элементов или расположен с воспламенительным патроном вблизи топливного элемента с подводящими проводами, подключен к токоведущим жилам геофизического кабеля, причем между геофизическим кабелем и зарядом имеется предохранительная штанга. Роль защитного кожуха может выполнять отрезок насосно-компрессионной трубы либо сами сгораемые втулки между зарядами.

Спираль накаливания устанавливают в кольцевой зазор на наружной поверхности ТЗ, закрывают изоляционной лентой и заливают термостойким герметиком для предотвращения контакта спирали со скважинной жидкостью. Отходящие от спирали электрические провода изолированы от жидкости. Концы проводов соединяют с жилами геофизического кабеля и места соединений изолируют при сборке устройства перед спуском в скважину.

При этом в способе стимуляции скважин, включающем термогазохимическое, барическое и виброволновое воздействия на продуктивный пласт путем сжигания в интервале пласта твердотопливного заряда, новым является то, что сжигание заряда осуществляют в горизонтальных скважинах с помощью рассмотренного устройства.

Устройство, состыкованное с кабелем на устье скважины, опускают в скважину и устанавливают напротив ПЗНП на ее горизонтальном участке. Оно показано на чертеже. Содержит набор зарядов 1, воспламенительный узел 2 и оснастку. Последняя включает грузонесущий трос 3, наконечник 4, жестко скрепленный с геофизическим кабелем 5 (по патенту РФ №2105326), штангу 6, переходник 7, защитный кожух (трубу) 8 с соединительными втулками 9 и обтекатель 10 с крешерным прибором 11 для измерения максимального давления. Вверху трос соединен со стержнем 12, внизу - с решеткой 13. Пружина 14 в верхней части заряда придает жесткость собранной гирлянде ТЗ. Провода от узла воспламенения подсоединены к токоведущим жилам кабеля.

Устройство с обычным геофизическим кабелем применимо только для вертикальных скважин. Использование устройства с геофизическим кабелем, повторяющим направления скважины, по патенту РФ №2105326 [9], в отличие от обычных кабелей, позволяет достичь высокой прочности на разрыв (120... 230 кН) и достаточно высокой жесткости для протаскивания ТЗ с оснасткой в горизонтальные участки скважин после прохождения вертикальных отрезков скважин. Этот кабель состоит из трех и более изолированных токоведущих жил, покрытых двумя или тремя парами слоев брони с противоположно направленными повивами проволок в каждой паре, причем вторая и третья пары слоев брони изготовлены из проволоки, диаметр которой в 1,3...2,5 раза больше диаметра проволок первой пары слоев брони, при этом поверх каждой пары нанесено под давлением покрытие из пластичного клеящего материала, заполняющего промежутки между проволоками брони, и внешний диаметр кабеля прокалиброван по всей длине и диапазоне 15...32 мм.

Реализация способа с использованием предлагаемого устройства осуществляют следующим образом. После подачи электрического тока по геофизическому кабелю срабатывает воспламенительный узел. Происходит воспламенение и последующее горение всех ТЗ, переходящее в вибрационный режим. В полостях каналов каждого из зарядов зарождаются высокочастотные волны с частотами порядка нескольких килогерц - десятков килогерц давления.

Горение ТЗ сопровождается комплексным термогазохимическим, барическом и ВВВ на продуктивный пласт. В итоге происходят такие изменения в пласте, при которых наступает стимуляция притоков.

После сгорания ТЗ кабель, выдерживающий благодаря предохранительной штанге, находящейся между ним и зарядом, воздействие высоких температур, давлений и вибраций, с остатками оснастки поднимают на поверхность.

С помощью заявленного способа и устройства возможна обработка нефтегазовых скважин с горизонтальными участками длиной до 500 м при глубинах до 4 км и температурах до +120°С.

Источники информации

1. Патент РФ №2183740. МПК Е21В 43/263. Заряд бескорпусной секционный для газодинамического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Газизов Ф.М., Ефанов Н.М., Рудаков В.В., Падерина Н.Г. Заявл. 22.08.2001. Опубл. 20.06.2002. БИПМ № 17.

2. Патент РФ №2183741. МПК Е21В 43/263. Способ газогидравлического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Ефанов Н.М., Падерина Н.Г. Заявл. 31.08.2001. Опубл. 20.06.2002. БИПМ №17.

3. Патент РФ №2175059. МПК Е21В 43/263. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин. Крощенко В.Д., Грибанов Н.И., Гайворонский И.Н., Павлов В.И., Санасарян Н.С., Залогин В.П., Жарков А.С., Марьяш В.И., Максимович Ю.И., Кодолов В.В. Заявл. 06.10.1999. Опубл. 20.10.2001.

4. Заявка на изобретение РФ №97100628. МПК 6 Е21В 43/25, 43/263. Способ воздействия на пласт пульсирующим давлением пороховых газов. Крощенко В.Д., Санасарян Н.С., Павлов В.И., Михайлов А.А., Державец А.А., Залогин В.П., Стефанкевич З.Б., Шкиткин Б.В. Заявл. 27.03.1999.

5. Патент РФ №2151282. МПК 7 Е21В 43/45. Устройство для термогазохимической обработки продуктивного пласта. Пивкин Н.М., Пелых Н.М., Кузнецова Л.Н., Карпов А.А., Аликин В.Н., Соловьев Н.М. Заявл. 08.02.1999. Опубл. 20.06.2000. Бюл. №17.

6. Патент РФ №2176728. МПК 7 Е21В43/25, 43/27. Способ обработки продуктивного пласта и заряд. Балдин А.В., Новоселов Н.И., Пелых Н.М. Пивкин Н.М., Кузнецова Л.Н., Южанинов П.М. Заявл. 27.12.2000. Опубл. 10.12.2001. Бюл. №34.

7. Патент США №5295545. МПК Е21В 43/263, 1994. Метод разрыва пласта с использованием твердого топлива.

8. Патент РФ №2170339. МПК 7 Е21В 43/117. Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в пласте. Кузьмицкий Г.Э., Аликин В.Н., Ильясов С.Е., Южанинов П.М., Пивкин Н.М., Пелых Н.М., Дуванов A.M., Воробьев Л.С. Заявл. 27.07.99. Опубл. 10.07.2001. Бюл. №19 - прототип.

9. Патент РФ №2105326. МКИ 6 G01V 1/40, 3/18. Геофизический кабель для исследования наклонных и горизонтальных скважин и способ исследования этих скважин. Корженевский А.Г., Корженевский А.А., Алейников В.Н. Заявл. 20.01.97. Опубл. 20.02.98. Бюл. №5.

1. Устройство с пороховым зарядом для стимуляции скважин, содержащее соединенный с геофизическим кабелем пороховой заряд, состоящий из твердотопливных элементов, выполненных из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе заряда составляет не более 1,5%, отличающееся тем, что твердотопливные элементы заряда закреплены на грузонесущем тросе, проходящем по центральным каналам или снаружи твердотопливных элементов, между твердотопливными элементами имеются зазоры, закрытые сгораемыми втулками, кроме того, твердотопливные элементы заключены в защитный кожух, а узел воспламенения выполнен в виде спирали накаливания, вмонтированной в один из твердотопливных элементов или расположен с воспламенительным патроном вблизи топливного элемента с подводящими проводами, подключен к токоведущим жилам геофизического кабеля, причем между геофизическим кабелем и зарядом имеется предохранительная штанга.

2. Способ стимуляции скважин, включающий термогазохимическое, барическое и виброволновое воздействия на продуктивный пласт путем сжигания в интервале пласта твердотопливного заряда, отличающийся тем, что сжигание заряда осуществляют в горизонтальных скважинах с помощью устройства по п.1.