Газогенератор для скважины

Изобретение относится к горной промышленности и, в частности, к области термогазовой обработки скважин различного назначения с созданием зоны трещиноватости в их призабойной зоне для интенсификации производительности. Наибольшее применение изобретения предполагается в области нефтегазодобычи - на нефтяных и газовых скважинах, характеризуемых различными глубинами и дебитами извлекаемых углеводородов. Обеспечивает расширение диапазона применения газогенератора, повышение надежности его работы в скважине независимо от ее глубины и температуры. Сущность изобретения: газогенератор для скважины включает контейнер с башмаком в нижней части, средство соединения контейнера с колонной труб для его доставки в необходимый интервал скважины и твердое топливо со свойством генерирования газа при горении. Твердое топливо - в виде цилиндра с осевым сквозным каналом. Оно помещено в контейнере. В нем же помещены сосуды, по меньшей мере два, выполненные с возможностью их разрушения и заполненные компонентами инициатора горения твердого топлива. Эти сосуды помещены над твердым топливом. Верхний поршень зафиксирован в контейнере над сосудами с возможностью их разрушения в рабочем положении устройства. Имеется нижний поршень с осевым каналом, перекрытым обратным клапаном. Он свободно помещен в контейнере с опорой на его башмак. При этом пространство контейнера между верхним и нижним поршнями заполнено жидкой средой, инертной к компонентам инициатора горения. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и, в частности, к области термогазовой обработки скважин различного назначения с созданием зоны трещиноватости в их призабойной зоне для интенсификации производительности. Наибольшее применение изобретения предполагается в области нефтегазодобычи - на нефтяных и газовых скважинах, характеризуемых различными глубинами и дебитами извлекаемых углеводородов.

Известен газогенератор для скважины, включающий герметичный контейнер с помещенным в нем топливом для генерирования газа при горении топлива, каротажный кабель-трос для спуска устройства и детонирующий шнур внутри устройства (см., например, RU 2153065, 10.07.2000).

Недостатком известного устройства является ограниченные возможности его применения, обусловленные сложностями использования взрывной техники и специальной техники (каротажной лебедки и спецлаборатории), неизбежными потерями достигнутых результатов обработки призабойной зоны из-за необходимости долговременной смены одного оборудования (каротажной техники) на другое оборудование, связанное с необходимостью спуска труб в зону обработки.

Известен газогенератор для скважины, включающий контейнер, средство соединения контейнера с колонной труб для его доставки в необходимый интервал скважины, твердое топливо со свойством генерирования газа при горении, помещенное в контейнере, сосуды из легкоразрушаемого материала с компонентами инициатора горения твердого топлива, поршни на срезных элементах для привода устройства в рабочее положение (см., например, RU 2232264, 10.07.2004).

Недостатком известного устройства является необходимость использования герметичного контейнера, что неизбежно ограничивает глубину его спуска из-за опасности разрушения наружным сминающим давлением. Кроме того, ввиду неуравновешенности давлений в скважине с давлением внутри контейнера необходимо каждый раз, в зависимости от глубины спуска устройства в скважину, рассчитывать и изготавливать индивидуальные срезные элементы. Для больших перепадов давлений и температуры необходимо применять прочные срезные элементы. Практика использования таких элементов в реальных скважинных условиях показала их низкую работоспособность. Срезка их в ряде случаев вообще не была обеспечена (устройство необходимо было извлекать из скважины). В других случаях давления срезки были значительно превышены над расчетными, что вызвало в скважинах дополнительные осложнения. Поэтому известное устройство обычно применяют для глубин не более 1500 м. Учитывая факт бурения скважин глубиной, кратно превышающей упомянутую, применение настоящего изобретения является актуальным.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона применения газогенератора, повышение надежности его работы в скважине независимо от ее глубины и температуры.

Необходимый технический результат достигается тем, что газогенератор для скважины включает контейнер с башмаком в нижней части, средство соединения контейнера с колонной труб для его доставки в необходимый интервал скважины, твердое топливо со свойством генерирования газа при горении, выполненное в виде цилиндра с осевым сквозным каналом и помещенное в контейнере, сосуды, по меньшей мере два, выполненные с возможностью их разрушения, заполненные компонентами инициатора горения твердого топлива и помещенные над последним, верхний поршень, зафиксированный в контейнере над сосудами с возможностью их разрушения при перемещении этого поршня в рабочем положении устройства, и нижний поршень с осевым каналом, перекрытым обратным клапаном, свободно помещенный в контейнере с опорой на его башмак, при этом пространство контейнера между верхним и нижним поршнями заполнено жидкой средой, нейтральной к компонентам инициатора горения твердого топлива.

Кроме того:

сосуды из легкоразрушаемого материала размещены один над другим, связаны друг с другом патрубком из прочного материала и нижний из сосудов взаимодействует с массивом твердого топлива, при этом верхний поршень имеет возможность взаимодействия в его рабочем положении с верхним сосудом;

верхний поршень имеет сквозной канал, перекрытый сердечником, выполненным с возможностью вскрытия сквозного канала в рабочем положении устройства;

сердечник выполнен в виде разрушаемой от давления диафрагмы;

сердечник выполнен из твердого топлива, имеющего возможность воспламенения от основного заряда твердого топлива;

в качестве жидкой среды принят безводный углеводород, а в качестве компонентов инициатора горения твердого топлива приняты кислота и один из щелочноземельных металлов или комбинация этих металлов или вода и боргидрид лития или боргидрид кальция;

в качестве безводного жидкого углеводорода принят керосин или нефть;

газогенератор снабжен пакером, размещенным в верхней части контейнера или в нижней части колонны труб для доставки контейнера в необходимый интервал скважины и обеспечивающим изоляцию затрубного пространства скважины отдавления при обработке скважины;

сосуды с компонентами инициатора горения выполнены из стекла или напряженного армированного стекла, или напряженного чугуна, или напряженной пластмассы или стали с концентраторами напряжения;

в качестве компонентов инициатора горения твердого топлива приняты соляная кислота или серная кислота, или азотная кислота, или плавиковая кислота, а в качестве щелочноземельных металлов - натрий или калий, или магний;

верхний поршень зафиксирован в контейнере одной, по меньшей мере, срезной шпилькой;

твердое топливо скомпоновано из набора цилиндрических колец, имеющих возможность разной скорости горения для обеспечения его импульсного режима;

твердое топливо имеет возможность при его горении выделения газов в объеме, достаточном для гидрогазоразрыва пород или, по меньшей мере, вскрытия естественных вертикальных трещин в зоне продуктивного пласта;

газогенератор обеспечивает возможность после сгорания твердого топлива подачи проппанта через трубы и контейнер в призабойную зону скважины для закрепления трещин гидрогазоразрыва или вскрытых естественных вертикальных трещин;

обратный клапан нижнего поршня выполнен в виде откидной заслонки или шарового клапана;

осевые каналы узлов и элементов газогенератора имеют сечение, кратно превышающее сечение проппанта для закрепления трещин призабойной зоны скважины.

Сущность изобретения.

За счет выполнения газогенератора с признаками, изложенными в п.1 формулы, обеспечена возможность выравнивания давления внутри контейнера с давлением снаружи его, определяемым, например, гидростатическим давлением на глубине размещения газогенератора. Выравнивание давления обеспечено за счет того, что нижний поршень установлен в контейнере свободно, т.е. имеет при этом возможность осевого перемещения, чем обеспечена возможность передачи давления из скважины внутрь контейнера. Выполнение при этом твердого топлива со сквозным осевым каналом обеспечивает возможность передачи давления через жидкую среду на верхний поршень снизу. Ввиду равенства давлений, испытываемых верхним поршнем сверху и снизу, и автоматизма выравнивания этих давлений не возникает опасных ситуаций преждевременного срабатывания устройства. Нет необходимости увеличения запаса прочности срезных элементов, а потому и нет опасности получения противоположного результата - отказа в срабатывании устройства.

Для повышения эффективности работы устройства имеет значение сечение сквозного осевого канала в твердом топливе. Перепад гидростатического давления в нем, зависящий от длины и диаметра и определяющий своего рода инерционность системы по выравниванию давлений на верхний поршень, должен быть не более 0,4 МПа. Другим дополнительным фактором в выборе сечения сквозного осевого канала в твердом топливе является режим выделения газа при его горении, обеспечивающий, по меньшей мере, возможность вскрытия естественных вертикальных трещин в зоне обработки пласта. Наличие осевого канала определенного диаметра задает дополнительные поверхности горения, а следовательно, и возможность получения необходимого газовыделения во времени, т.е. режим форсированного горения. Для обеспечения такого режима горения диаметр осевого канала твердого топлива должен составлять 0,3-0,4 наружного диаметра твердого топлива.

Важное значение имеет система инициирования твердого топлива. Она предусматривает инициирование экзотермической реакции кислоты, например, соляной с щелочно-земельными металлами, например натрием. Могут быть использованы и другие известные кислоты, например серная кислота, или азотная кислота, или плавиковая кислота и другие известные щелочно-земельные металлы, например калий, или магний, или комбинация этих металлов.

Инициирование экзотермической реакции может быть обеспечено также и за счет других компонентов, например, воды с боргидридом лития или боргидридом кальция.

Исходные компоненты помещены в сосуды из легкоразрушаемого материала. Сосудов может быть более двух и размещены они могут в различной комбинации из условия надежности их разрушения и последующего смешивания компонентов.

Надежность срабатывания системы инициирования в заданное время обеспечивает среда, заполняющая пространство в контейнере между верхним и нижним поршнями, нейтральная к компонентам инициатора горения твердого топлива в их исходном состоянии. В качестве компонентов инициатора горения кислот и щелочно-земельных металлов или боргидридов (лития или кальция) и воды в качестве нейтральной среды может служить безводная жидкость, например безводный углеводород. При этом в качестве безводного углеводорода может быть принят керосин или нефть. При экзотермической реакции между компонентами инициатора горения углеводород как горючее активизирует горение твердого топлива.

Устройство предусматривает возможность сразу после термогазового воздействия на пласт, например, с образованием в нем трещин, обеспечить возможность закрепления этих трещин. Для этого предусмотрено выполнение верхнего поршня со сквозным осевым каналом, перекрытым сердечником, например, из твердого топлива, которое имеет возможность сгорания, например, от основного заряда твердого топлива. Сечение сквозного осевого канала верхнего поршня должно быть не менее сечения сквозного осевого канала основного топлива. Для закрепления трещин в зону обработки пласта предусмотрена подача проппанта в жидкости-носителе через трубы, например, насосно-компрессорные, на которых доставлен газогенератор, и контейнер. Осевые каналы узлов и элементов газогенератора выбраны из условия обеспечения надежной доставки проппанта в зону трещин. Для этого их сечение кратно (5-20 раз) должно превышать сечение используемого проппанта. Для обеспечения изоляции зоны обработки пласта предусмотрена установка пакера.

На чертеже изображен общий вид устройства.

Газогенератор включает контейнер 1 с башмаком 2 в нижней части, средство 3 соединения контейнера 1 с колонной труб, например насосно-компрессорных труб (на чертеже не показаны) для его доставки в необходимый интервал скважины. В контейнер 1 помещено твердое топливо 4, например ракетное топливо со свойством генерирования газа при горении. Твердое топливо 4 выполнено в виде цилиндра с осевым сквозным каналом 5. Над твердым топливом 4 помещены сосуды, верхний 6 и нижний 7. Эти сосуды выполнены с возможностью их разрушения, содержат компоненты инициатора горения твердого топлива 4 и помещены над твердым топливом 4. Верхний 6 и нижний 7 сосуды сообщены прочным патрубком 8, например из алюминия. Верхний сосуд может быть заполнен, например, соляной кислотой, а нижний - магнием. Сосуды могут быть размещены один над другим и связаны друг с другом патрубком (как показано на чертеже) из прочного материала. Нижний из сосудов взаимодействует с массивом твердого топлива 4.

В контейнере помещен также верхний поршень 9. Он зафиксирован в контейнере над сосудами 6, 7 с помощью, например, срезных элементов 10. Верхний поршень 9 имеет возможность взаимодействия в его рабочем положении с верхним сосудом 5. За счет этого взаимодействия, наличия прочного патрубка 8 и взаимодействия при этом нижнего сосуда 7 с массивом твердого топлива обеспечена возможность разрушения сосудов 6, 7 в рабочем положении устройства.

Имеется нижний поршень 11 с осевым каналом 12, перекрытым обратным клапаном 13. Нижний поршень 11 свободно помещен в контейнере 1 с опорой на его башмак 2. Пространство контейнера 1 между верхним поршнем 7 и нижним поршнем 11 заполнено жидкой средой, например керосином. Верхний поршень 9 может быть выполнен, например, со сквозным каналом, перекрытым сердечником 14. Этот сердечник выполнен с возможностью вскрытия сквозного канала верхнего поршня 9 в рабочем положении устройства. Сердечник может быть выполнен из твердого топлива, имеющего возможность воспламенения от основного заряда твердого топлива 4.

Устройство работает следующим образом.

Газогенератор-контейнер с вышеописанными узлами, элементами и заполнением готовят к спуску в скважину. Верхний поршень 9 фиксируют срезными элементами в расчете на их срезку в скважине от избыточного давления 5-10 МПа. Газогенератор спускают в скважину, например, на насосно-компрессорных трубах (НКТ) в заданный интервал, например, зону продуктивного нефтяного пласта. Во время спуска в скважину колонну НКТ заполняют жидкостью (пластовой или пресной водой) с устья скважины. Гидростатическое давление в скважине воздействует на нижний поршень 11. В связи с тем что этот поршень свободно помещен в контейнере 1 на башмаке 2, по существу является плавающим, то он передает давление в скважине на жидкую среду, заполняющую пространство контейнера 1 между верхним поршнем 7 и нижним поршнем 11. Нагрузка на верхний поршень 9 с разных сторон уравновешена. Срезные элементы 10 верхнего поршня 9 не испытывают перегрузок. С устья скважины через колонну НКТ передают избыточное давление на верхний поршень 9 для срезки элементов 10. После их срезки верхний поршень 9 свободно движется в контейнере вниз и разрушает сосуды 6, 7 с инициаторами горения. Контакт раствора кислоты, например соляной кислоты, с основным компонентом, например натрием, приводит к бурной химической реакции, которая сопровождается резким повышением температуры. Происходит воспламенение твердого топлива 4, например, ракетного топлива с генерированием большого объема газов. Тип твердого топлива и его количество выбирают такими, чтобы объема выделяющихся при горении газов было достаточно для разрыва пласта в зоне горения или, по меньшей мере, для вскрытия существующих естественных вертикальных трещин. Последнее требует меньшего объема газов, но в ряде случаев бывает даже более предпочтительным, поскольку обеспечивает выравнивание фильтрации по толщине пласта и создает оптимальные условия его дренирования или приемистости. Последнее определяется тем, в какой скважине осуществляют обработку призабойной зоны - в добывающей или нагнетательной. В процессе работы устройства исключается опасная возможность локального повышения давления, например, в НКТ или контейнере. Давление в них передается в заколонное пространство скважины через осевой канал 9 в твердом топливе и обратный клапан нижнего поршня 11, образуя единую гидродинамическую систему.

При необходимости газогенератор может быть снабжен пакером, размещенным в верхней части контейнера или в нижней части колонны труб для доставки контейнера в необходимый интервал скважины. Это позволит снизить потери газа по стволу скважины и повысить эффективность обработки прискважинной зоны. Конструкция газогенератора позволяет сразу после образования трещин в прискважинной зоне обеспечить возможность их закрепления проппантом. Для этого верхний поршень 9 может быть выполнен, например, с сердечником 14 из твердого топлива, имеющего возможность воспламенения от основного заряда 4 твердого топлива. Этим обеспечивают свободный канал по всей длине контейнера 1 и возможность закачки жидкости с проппантом.

1. Газогенератор для скважины, включающий контейнер с башмаком в нижней части, средство соединения контейнера с колонной труб для его доставки в необходимый интервал скважины, твердое топливо со свойством генерирования газа при горении, выполненное в виде цилиндра с осевым сквозным каналом и помещенное в контейнере, сосуды, по меньшей мере два, выполненные с возможностью их разрушения, заполненные компонентами инициатора горения твердого топлива и помещенные над последним, верхний поршень, зафиксированный в контейнере над сосудами с возможностью их разрушения при перемещении этого поршня в рабочем положении устройства, и нижний поршень с осевым каналом, перекрытым обратным клапаном, свободно помещенный в контейнере с опорой на его башмак, при этом пространство контейнера между верхним и нижним поршнями заполнено жидкой средой, нейтральной к компонентам инициатора горения твердого топлива.

2. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что сосуды из легкоразрушаемого материала размещены один над другим, связаны друг с другом патрубком из прочного материала и нижний из сосудов взаимодействует с массивом твердого топлива, при этом верхний поршень имеет возможность взаимодействия в его рабочем положении с верхним сосудом.

3. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что верхний поршень имеет сквозной канал, перекрытый сердечником, выполненным с возможностью вскрытия сквозного канала в рабочем положении устройства.

4. Газогенератор по п.3, отличающийся тем, что сердечник выполнен из твердого топлива, имеющего возможность воспламенения от основного заряда твердого топлива.

5. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды принят безводный углеводород, а в качестве компонентов инициатора горения твердого топлива приняты кислота и один из щелочноземельных металлов или комбинация этих металлов или вода и боргидрид лития или боргидрид кальция.

6. Газогенератор по п.5, отличающийся тем, что в качестве безводного жидкого углеводорода принят керосин или нефть.

7. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен пакером, размещенным в верхней части контейнера или в нижней части колонны труб для доставки контейнера в необходимый интервал скважины и обеспечивающим изоляцию затрубного пространства скважины от давления при обработке скважины.

8. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что сосуды с компонентами инициатора горения выполнены из стекла, или напряженного армированного стекла, или напряженного чугуна, или напряженной пластмассы, или стали с концентраторами напряжения.

9. Газогенератор по п.1 или 5, отличающийся тем, что в качестве компонентов инициатора горения твердого топлива приняты соляная кислота, или серная кислота, или азотная кислота, или плавиковая кислота, а в качестве щелочноземельных металлов - натрий, или калий, или магний.

10. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что верхний поршень зафиксирован в контейнере одной, по меньшей мере, срезной шпилькой.

11. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что твердое топливо скомпоновано из набора цилиндрических колец, имеющих возможность разной скорости горения для обеспечения его импульсного режима.

12. Газогенератор по п.1 или 11, отличающийся тем, что твердое топливо имеет возможность при его горении выделения газов в объеме, достаточном для гидрогазоразрыва пород или, по меньшей мере, вскрытия естественных вертикальных трещин в зоне продуктивного пласта.

13. Газогенератор по п.12, отличающийся тем, что он обеспечивает возможность после сгорания твердого топлива подачи проппанта через трубы и контейнер в призабойную зону скважины для закрепления трещин гидрогазоразрыва или вскрытых естественных вертикальных трещин.

14. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что обратный клапан нижнего поршня выполнен в виде откидной заслонки или шарового клапана.

15. Газогенератор по одному из пп.1-4, 13 и 14, отличающийся тем, что осевые каналы его узлов и элементов имеют сечение, кратно превышающее сечение проппанта для закрепления трещин призабойной зоны скважины.