Газогенератор для повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для разрыва и термогазохимической обработки призабойной зоны пласта газообразными продуктами горения твердотопливных композиций в нефтяных, газовых и газоконденсатных скважинах. Газогенератор для повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин, включающий блок с основным зарядом твердотопливной композиции, цилиндрический герметичный блок воспламенения, в верхней части которого расположены срезаемый при заданном давлении герметизирующий узел в виде верхней разрывной мембраны и зафиксированный с помощью кольцевого бортика поршень. В нижней части устройства расположен узел герметизации. Температурный промотор помещен над узлом герметизации. Газ заполняет пространство между поршнем и температурным промотором. В качестве нижнего герметизирующего узла использована нижняя разрывная мембрана с лучевой насечкой. Ее толщина определена расчетным давлением, создаваемым поршнем над мембраной при срабатывании блока воспламенения. Над мембраной расположено упорное кольцо, а под ней расположена круглая пластина из твердотопливной композиции с диаметром, равным внутреннему диаметру мембраны, и толщиной, превосходящей глубину раскрытия лучевых сегментов разрывной мембраны. Фиксация верхней и нижней разрывных мембран осуществлена с помощью резьбовых упоров. Техническим результатом изобретения является термогазохимическое воздействие на призабойную зону пласта в ходе обработки малодебитных и простаивающих нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин, пригодное для работы на малых, средних и больших глубинах при обеспечении отсутствия засорения скважины несгоревшими остатками газогенератора и высокой надежности срабатывания. 2 ил.

 

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для разрыва и термогазохимической обработки призабойной зоны пласта газообразными продуктами горения твердотопливных композиций в нефтяных, газовых и газоконденсатных скважинах.

Работа газогенератора включает две фазы: воспламенение заряда твердотопливной композиции и ее горение. Эффективность результата работы устройства в скважине (улучшение фильтрационных характеристик призабойной зоны пласта) определяется обеими вышеуказанными фазами. Характер, скорость воспламенения поверхности и величина поверхности заряда твердотопливной композиции, в свою очередь, определяют скорость нарастания давления в скважине, величину максимально создаваемого давления в скважине и режим изменения давления в скважине (одно- либо многоимпульсный). Оптимальные значения указанных величин дают возможность осуществить в ходе обработки скважины не только очистку порового пространства призабойной зоны от кольматантов и ретроградной жидкости (в случае газоконденсатных скважин), но и создать в пласте разветвленную систему трещин. Вместе с тем, создаваемые газогенерирующие устройства должны отвечать требованиям безопасности, простой эксплуатации и невысокой стоимости, что важно для промысловых условий.

Этим требованиям отвечают газогенерирующие устройства с системой воспламенения на основе адиабатического сжатия газа, которые рассматриваются в данном изобретении.

Известен ряд аналогов предлагаемого устройства. Это твердотопливные газогенераторы, спускаемые в скважину на насосно-компрессорных трубах, включающие герметичный блок воспламенения и негерметичный блок с основным зарядом твердого топлива и использующие эффект адиабатического сжатия газа в блоке воспламенения для инициирования процесса обработки скважин.

Так, в патенте РФ №2232264 от 07.10.2004 г. [1] описано устройство для активации малодебитных и простаивающих нефтяных и газовых скважин, содержащее контейнер с инициатором горения. Контейнер выполнен в виде цилиндра с двумя поршнями. Между поршнями размещены друг под другом два стакана с компонентами инициатора горения. Верхний стакан меньшего диаметра предназначен для приема ударной нагрузки верхнего поршня в условиях избыточного давления. Нижний стакан большего диаметра, содержащий другой компонент инициатора горения, связан с основной массой твердотопливной композиции. При подаче избыточного давления через насосно-компрессорные трубы происходит срез крепежных шпилек верхнего поршня. Он ударяет по верхнему стакану и приводит в соприкосновение компоненты инициатора горения. Тот, в свою очередь, осуществляет воспламенение основного заряда топлива. Недостатками этой конструкции газогенератора являются ее ориентация на мелкие скважины с невысоким гидростатическим давлением, а также необходимость использования специальных уплотнительных колец для поршней.

В патенте РФ №2291290 от 10.07.2004 [2] описан твердотопливный газогенератор для обработки нефтяных и газовых скважин с целью повышения их продуктивности. Как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату он принят за прототип предлагаемого устройства. Газогенератор включает последовательно связанные воспламенительный блок с основным зарядом твердого топлива.

Воспламенительное устройство расположено в цилиндрическом корпусе с нижней частью, заглушенной пробкой из твердого топлива, и с верхней частью, в которой расположен герметизирующий узел с возможностью его срезания при внешнем давлении, причем в воспламенительном устройстве дополнительно размещен внутри цилиндрического корпуса цилиндр, скрепленный с корпусом в верхней и нижней части с помощью кольцевых бортиков. В качестве герметизирующего узла используется разрывная мембрана, толщина которой определяется расчетным предельным давлением в насосно-компрессорных трубах, определяющим начало обработки скважины, скрепленная с корпусом, а в верхней части внутреннего цилиндра расположена втулка с поперечной перегородкой, в центре которой закреплена фиксирующая поршень шпилька. В нижней части воспламенительного устройства в заглушке из твердого топлива расположена круглая пластина с диаметром, меньшим диаметра внешнего корпуса, фиксируемая снизу стопорной шайбой, причем над заглушкой расположено вещество-инициатор, воспламеняющееся при более низких температуре и давлении нежели твердое топливо и выделяющее в ходе горения значительное количество тепла, обеспечивающее надежное поджигание твердого топлива, а основной заряд твердого топлива помещен в цилиндрическом корпусе с перфорированными стенками.

Основным недостатком конструкции газогенератора, принятого за прототип, является необходимость уплотнения нижнего герметизирующего блок воспламенения узла специальным видом твердотопливной композиции с высоким напряжением текучести. Это ограничивает и диапазон использования данной конструкции газогенератора мелкими и средними скважинами.

Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего термо-, газохимическое воздействие на призабойную зону пласта в ходе обработки малодебитных и простаивающих нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин, пригодное для работы на малых, средних и больших глубинах при обеспечении отсутствия засорения скважины несгоревшими остатками газогенератора и высокой надежности срабатывания.

Поставленная задача решается таким образом, что газогенератор содержит последовательно соединенные воспламенительный блок и блок с основным зарядом твердого топлива. Воспламенительный блок представляет собой цилиндр, в верхней и нижней частях которого располагаются герметизирующие узлы с возможностью их срезания по достижении заданного давления. В качестве герметизирующих узлов используются разрывные мембраны со специально выполненной насечкой, определяемой характером срабатывания мембран. Крепление мембран в корпусе блока воспламенения осуществляется с помощью резьбовых упоров. Для усиления нижней разрывной мембраны сверху нее помещено специальное упорное кольцо с диаметром внутреннего отверстия, меньшим диаметра разрывной мембраны. Внутри цилиндрического корпуса блока воспламенения в его верхней части находится поршень с уплотнительной манжетой, фиксируемый в корпусе с помощью срезаемого кольцевого бортика.

В нижней части блока воспламенения над герметизирующей разрывной мембраной помещается температурный промотор (например, бихромат аммония и др.) - вещество, обеспечивающее надежное воспламенение основного заряда твердотопливной композиции. Внутри цилиндрического корпуса блока воспламенения между температурным промотором и поршнем находится газ (например, воздух или другой газ), сжимаемый поршнем до высокой температуры и давления при срабатывании блока воспламенения.

Блок с основным зарядом твердотопливной композиции представляет собой сборку цилиндрических негерметичных корпусных элементов, связанных между собой и блоком воспламенения муфтовыми соединениями, причем внутри корпусных элементов размещены твердотопливные композиции с продольными каналами для более быстрого сгорания.

Корпус блока с основным зарядом твердотопливной композиции изготавливается из материала, взаимодействующего со средой скважины (например, гидрореагирующий сплав магния) с образованием растворимых легкоудаляемых соединений. Это позволит избежать засорения скважины после ее обработки.

На фиг.1 представлен общий вид газогенератора в разрезе.

Газогенератор содержит верхний цилиндрический корпус 1, внутри которого размещена разрывная мембрана 2 с уплотнительным кольцом 3. Герметизирующая блок воспламенения разрывная мембрана 2 фиксируется в цилиндрическом корпусе 1 с помощью резьбового упора 4. Снаружи корпус 1 имеет резьбу для муфтового соединения с колонной насосно-компрессорных труб.

Средняя часть газогенератора (блока воспламенения) включает цилиндрический корпус 5, внутри которого размещен поршень 6 с фиксирующим его положение срезаемым кольцевым бортиком 7 и уплотнительным кольцом 8. Между поршнем 6 и упорным кольцом 10 внутри цилиндрического корпуса 5 находится газ, сжимаемый поршнем 6 при срабатывании верхней разрывной мембраны 2.

Нижняя часть газогенератора (блока воспламенения) представляет собой цилиндрический корпус 11, внутри которого размещено упорное кольцо 10, температурный промотор 9, разрывная мембрана 12 с уплотнительным кольцом 13 и резьбовой упор 14.

Диаметр внутреннего отверстия упорного кольца 10, размещенного над поверхностью разрывной мембраны 12, меньше диаметра мембраны, что позволяет повысить порог срабатывания разрывной мембраны 12 при создании давления со стороны негерметичного блока с основным зарядом твердого топлива (снизу блока воспламенения).

Разрывная мембрана 12 имеет специальную лучевую насечку, что позволяет осуществлять надежное воспламенение твердотопливной композиции под мембраной за счет центрального раскрытия мембраны при ее срабатывании и попадании температурного промотора в центральную часть заряда.

Фиксация разрывной мембраны 12 в корпусе 11 осуществляется резьбовым упором 14, размещенным под мембраной 12.

Газогенератор работает следующим образом.

После спуска газогенератора на насосно-компрессорных трубах до необходимой глубины и операций по подготовке скважины к обработке подается скачок давления в насосно-компрессорных трубах, обеспечивающий срабатывание верхней разрывной мембраны блока воспламенения газогенератора. Под действием перепада давления происходит срыв поршня с фиксирующего его кольцевого бортика и сжатие газа в камере блока воспламенения. Под действием силы давления и инерции поршня сжатый газ нагревается до температур, значительно превышающих температуру химического разложения промотора. В свою очередь, разложение температурного промотора еще более повышает температуру системы. Давление сжатого газа превышает порог срабатывания нижней разрывной мембраны, и нагретая смесь газа и температурного промотора выбрасывается в камеру с зарядом твердого топлива. Высоконагретые частицы температурного промотора, попадая на поверхность твердотопливных элементов, воспламеняют их, инициируя этим воспламенение основного заряда твердого топлива.

При горении основного заряда твердотопливной композиции выделяются высоконагретые газы (N₂, НСl, HF, Н₂ и др.), которые вместе с парами жидкой среды скважины под большим давлением через перфорационные отверстия распространяются в призабойную зону, прогревая ее, образуя трещины, расплавляя асфальтены в порах и взаимодействуя с карбонатными частицами с образованием растворимых соединений.

Так как элементы блока с основным зарядом твердотопливной композиции выполнены из магния либо его сплавов, то при высокой температуре происходит взаимодействие корпуса блока со скважинной средой с образованием растворимых соединений магния, которые затем удаляются в ходе промывки скважины.

Была проведена экспериментальная проверка предлагаемой конструкции газогенератора.

Предварительно по разработанным чертежам были изготовлены три лабораторных экземпляра предлагаемого газогенератора. Кроме того, для проведения испытаний были изготовлены образцы твердого топлива рекомендуемого авторами базового состава и температурного промотора, помещаемые в ходе испытаний в газогенератор (было изготовлено 30 таблеток температурного промотора диаметром 10 мм и высотой 5 мм и 10 мм, а также 30 твердотопливных пластин диаметром 50 мм и толщиной 3 мм).

Целью испытаний являлось исследование технических характеристик газогенератора и проверка его работоспособности.

Испытания проводились в соответствии с утвержденной программой и методикой испытаний.

В ходе испытаний проверялись следующие параметры:

- герметичность корпуса блока воспламенения газогенератора при создании внешнего давления до 400 атм;

- срабатывание мембранно-поршневого устройства блока воспламенения газогенератора при подаче заданного внешнего давления;

- максимальная температура сжатого газа в рабочей камере цилиндра;

- воспламенение заряда твердого топлива в газогенераторе при создании давления выше порогового (заданного) значения.

Испытания лабораторного газогенератора проводились на установке, схема которой представлена на фиг.2. Установка включала компрессор для создания давления воздуха 130 кгс/см², насос высокого давления УНВД-200 для поднятия давления на выходе до требуемого, баллон высокого напора БВН, переливную трубку ТП, вентили ВН1, ВН2, ВН3, манометры МН-1, МН-2 и испытуемый газогенератор ГГ. Требуемое давление на выходе устанавливалось путем дополнительного сжатия воздуха в баллоне высокого напора водой, подаваемой насосом высокого давления. Управление работой насоса (пуск, остановка, регулирование давления воды), видеонаблюдения при испытаниях осуществлялись из соседней камеры.

В результате выполненных испытаний было получено:

- проверка герметичности блока воспламенения при создании внешнего давления до 400 атм подтвердила надежность мембранного герметизирующего устройства;

- проверка срабатывания мембранно-поршневого устройства блока воспламенения газогенератора показала, что поршневое устройство при превышении порогового давления осуществляет надежное сжатие газа до температур, достаточных для начала работы температурного промотора;

- проверка максимальной температуры сжатого газа в рабочей камере цилиндра с помощью контрольных материалов, помещаемых в камеру (кристаллический порошок NaNO₃, сухой йод, пластинка припоя, поронит), показала, что во всех выполненных испытаниях температура в рабочей камере в момент сжатия газа значительно превышала 200°С, что достаточно для начала работы температурного промотора;

- проверка воспламенения заряда твердого топлива рекомендуемого нами базового состава в составе предлагаемой конструкции газогенератора подтвердила факт воспламенения твердотопливного заряда. Для контроля воспламенения заряда твердого топлива при срабатывании мембранно-поршневого устройства блока воспламенения по достижении заданного внешнего давления с использованием температурного промотора в камеру цилиндра помещалось 7 г промотора, а вне блока воспламенения в зарядную часть газогенератора - образец твердого топлива. После испытания по состоянию образца твердого топлива определялся факт его воспламенения (образец полностью сгорал).

По результатам проведенных испытаний признано, что лабораторный образец газогенератора выдержал испытания и может рекомендоваться для использования на промышленных скважинах.

Литература

1. Мовшович Э.Б., Доманов Г.П. Устройство для химического поджига газогенерирующего топлива при термохимической обработке нефтяных и газовых скважин. Патент РФ №2232264 С1, МПК7 Е21В 43/263. Опубликовано 10.07.2004.

2. Кольцова Э.М., Глебов М.Б., Женса А.В., Лазарев В.М. Газогенератор для повышения дебита нефтяных и газовых скважин и способ его использования. Патент РФ №2291290 С1, МПК Е21В 43/263. Опубликовано 10.01.2007; Бюл.№1.

Газогенератор для повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин, включающий блок с основным зарядом твердотопливной композиции, цилиндрический герметичный блок воспламенения, в верхней части которого расположены срезаемый при заданном давлении герметизирующий узел в виде верхней разрывной мембраны и зафиксированный с помощью кольцевого бортика поршень, узел герметизации, расположенный в нижней части, температурный промотор, помещенный над узлом герметизации, газ, заполняющий пространство между поршнем и температурным промотором, отличающийся тем, что в качестве нижнего герметизирующего узла использована нижняя разрывная мембрана с лучевой насечкой, толщина которой определена расчетным давлением, создаваемым поршнем над мембраной при срабатывании блока воспламенения, причем над мембраной расположено упорное кольцо, а под ней расположена круглая пластина из твердотопливной композиции с диаметром, равным внутреннему диаметру мембраны, и толщиной, превосходящей глубину раскрытия лучевых сегментов разрывной мембраны, при этом фиксация верхней и нижней разрывных мембран осуществлена с помощью резьбовых упоров.