Устройство для обработки призабойной зоны нефтяных скважин

Устройство для обработки призабойной зоны нефтяных скважин

Реферат

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для повышения производительности скважин путем обработки призабойной зоны.

Известны устройства для обработки призабойной зоны скважин (RU 2075597 С1, 20.03.1997; RU 2138630 C1, 27.09.1999), включающие герметичную металлическую камеру, заполненную воздухом под атмосферным давлением и отделенную мембраной от приемной камеры, заполненной неким активным составом. Устройства опускают в скважину на кабель-тросе и устанавливают напротив обрабатываемого пласта. Для этих устройств характерным является разрушение в нужный момент диафрагмы тем или иным способом, после чего скважинная жидкость заполняет воздушную камеру, создавая имплозию на забое. Это, в свою очередь, создает потоки жидкости из пласта в скважину, которые с тем или иным успехом производят очистку призабойной зоны пласта от кольматирующих отложений, снижающих эффективность нефтеотдачи. Кроме того, после имплозии столб скважинной жидкости создает гидравлический удар, способствующий повышению проницаемости призабойной зоны пласта как за счет декольматации, так и за счет образования в ней новых трещин.

Наиболее близким к изобретению является устройство для обработки призабойной зоны скважин (RU 2138630 C1, 27.09.1999), которое содержит воздушную и приемную камеры, разделенные диафрагмой, причем в полости приемной камеры размещен сгораемый, разделенный на несколько частей композиционный материал, а сама приемная камера выполнена из сплошного материала, разрушаемого при сгорании топливной композиции. Одна часть горящего материала представляет собой смесь железоалюминиевого термита, азотнокислого бария, алюминиевого порошка и эпоксидной смолы с отвердителем. Другая часть - смесь аммиачной селитры, бихромата калия и эпоксидной смолы с пластификатором и отвердителем. Третья часть представляет собой комбинацию первых двух.

Аналог и прототип имеют следующие общие недостатки. Прежде всего в обоих случаях для создания имплозии и гидравлического удара скважинной жидкости используют по сути однотипное устройство, внутренняя полость которого разделена мембраной на два объема, которые являются неотъемлемыми элементами конструкции. Один из этих объемов представляет собой воздушную камеру, другой - так называемую приемную камеру. В последней помещается активная среда, которая при определенных обстоятельствах разрушает мембрану, после чего скважинная жидкость под забойным давлением заполняет воздушную камеру. Активной средой служит композиционный материал на основе железоалюминиевого термита в смеси с другими компонентами, в том числе с солями и органическими соединениями.

Эффективность этих устройств недостаточно высока по следующей причине. Тепловой эффект и температура горения используемых активных сред, а стало быть, и нагрев скважинной жидкости в реальных условиях недостаточно велики. Следствием этого является низкая эффективность очистки пор пласта от кольматирующих отложений (парафины, асфальтены, смолы), для удаления которых требуется максимальный перегрев скважинной жидкости, включая появление паровой фазы. Кроме того, конструкция двухкамерных устройств, а также технология приготовления многокомпонентных тепло- и газовыделяющих активных сред усложнены.

Кроме этих общих причин недостаточно высокой эффективности известных устройств, прототип имеет еще следующие недостатки. Во-первых, вторая часть сгораемого композиционного материала, помещенная в приемную камеру, выполненную из упруго-пластичного материала, сгорает вместе с камерой со сравнительно низкой скоростью. В результате, значительная часть выделяющегося тепла успевает неэффективно рассеяться, а выделение газов не носит ударного характера. Это дополнительно снижает эффективность действия устройства. Согласно прототипу обусловленное существом дела требование ко второй части композиционного материала, касающееся его высокой прочности, не позволяет использовать более высококалорийные и быстро горящие активные среды. Во-вторых, вторая часть композиционного материала является взрывоопасной из-за присутствия в составе аммиачной селитры. В-третьих, вторая часть композиции почти на треть состоит из газообразующих компонентов (азотнокислый барий, эпоксидная смола с отвердителем), в результате чего в воздушной камере после ее раскрытия неизбежно присутствуют газообразные продукты горения под избыточным давлением, что уменьшает поток скважинной жидкости в камеру, что снижает имплозию.

Техническим результатом данного изобретения является создание более эффективного устройства для обработки призабойной зоны нефтяных скважин, обеспечивающего увеличение нефтеотдачи при снижении затрат на изготовление таких устройств.

Этот результат достигается применением в качестве устройства для обработки призабойной зоны нефтяных скважин твердопламенного теплогенератора (ТТГ), включающего герметичный корпус с кабельным наконечником, с загрузкой тепловыделяющей смеси и с системой инициирования горения, в котором согласно изобретению в стенке корпуса выполнены ослабленные локальные участки в виде несквозных углублений либо в виде сквозных окон с герметичными мембранами-заглушками, которые впаиваются либо вклеиваются в окна, причем и те и другие расположены по меньшей мере в двух местах по длине корпуса - возле кабельного наконечника и возле днища, а кабельный наконечник и днище отделены теплоизолирующими слоями от тепловыделяющей смеси в виде прессованных тепловыделяющих блоков; а в качестве поджигающих и тепловыделяющих смесей используют высокоэнергетические порошковые смеси, включающие один или несколько твердых окислителей в виде оксидов металлов и один или несколько активных металлов-восстановителей, которые обеспечивают адиабатическую температуру горения 2500-3500 К и линейную скорость горения до 2 м/с; при этом система инициирования горения включает электродный узел с разрядным промежутком, размещаемый либо сверху, либо снизу тепловыделяющих блоков.

Устройство является мощным импульсным источником тепловой энергии, помещаемым непосредственно в интервал обработки пласта.

Признаками изобретения являются:

1. тепловыделяющее устройство с герметичным корпусом;

2. стандартный кабельный наконечник с кабель-тросом, присоединяемый к корпусу устройства;

3. ослабленные локальные участки в стенках корпуса устройства;

4. поджигающая система с электродным узлом, обеспечивающим при дистанционной подаче импульса от искродугового генератора инициирование горения;

5. тепловыделяющие блоки, спрессованные из высокоэнергетической порошковой смеси;

6. состав высокоэнергетической порошковой смеси с твердым топливом и твердым окислителем;

7. внутренние теплоизолирующие слои, отделяющие кабельный наконечник и днище от тепловыделяющих блоков.

Признаки 1, 2 являются общими с прототипом, признаки 3-6 являются существенными отличительными признаками изобретения, признак 7 является частным признаком изобретения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

На месторождениях нефти с повышенным содержанием парафинов и других примесей постепенно снижается нефтеотдача действующих скважин по причине кольматации призабойной зоны, т.е. из-за ее засорения отложениями парафинов, асфальтенов, смол. Кроме того, как правило, в эксплуатации находятся скважины с так называемыми «легкими» нефтями. Более вязкие, «тяжелые» нефти не разрабатываются. Использование данного изобретения позволяет повысить эффективность воздействия на призабойную зону нефтяного пласта. Это позволяет не только осуществлять реабилитацию скважин, снизивших рентабельность, но и открывает возможность освоения скважин с «тяжелыми» нефтями.

Конструкция и составляющие части устройства

Предлагаемое устройство (ТТГ) схематично изображено на чертеже и включает: 1 - корпус, 2 - днище, 3 - теплоизолирующий слой, 4 -электродный узел, 5 - поджигающий блок, 6 - тепловыделяющие блоки, 7 - резьбу для присоединения кабельного наконечника, 8 - мембраны-заглушки, 9 - зазор для вывода проводников от электродной пары, 10 - окна.

Герметичный корпус ТТГ 1 изготовлен из трубы (стальной или из алюминиевого сплава), к которой приварено или привинчено на уплотнении днище 2, а в верхней части имеется резьба 7 для навинчивания стандартного кабельного наконечника, соединенного с кабель-тросом (на чертеже не показаны). Корпус имеет сквозные окна 10, герметично закрытые мембранами-заглушками 8 (впаянными, вклеенными и т.п.). Расположение окон по длине корпуса может быть различным в зависимости от конкретного применения. Предпочтительными являются диаметральные расположенные окна в верхней и нижней частях корпуса. В другом варианте окна не являются сквозными, они выполнены в виде углублений любой формы. В этом случае заглушек не требуется.

В полости корпуса, в нижней его части, помещен теплоизолирующий слой 3, на нем установлен поджигающий блок 5 с плотно прижатым к нему электродным узлом 4. Могут быть различные варианты конструкции электродного узла. Поджигающий блок может быть из той же тепловыделяющей смеси, что и тепловыделяющие блоки 6. Дальше полость корпуса заполнена тепловыделяющими блоками 6, отпрессованными обычным способом из высокоэнергетической порошковой смеси. Проводники от электродного узла (на чертеже не показаны) выводятся через зазор 9 между корпусом и тепловыделяющими блоками. В случае использования кабельного наконечника с одним электровводом вторым электродом служит корпус ТТГ, к которому припаян или прикреплен другим способом второй проводник от электродного узла. В верхней части корпуса, над тепловыделяющими блоками, помещен другой теплоизолирующий слой 3.

В зависимости от конкретных целей поджиг может производиться с верхнего конца ТТГ, тогда поджигающий блок с электродным узлом помещены в верхней части сборки, непосредственно под верхним теплоизолирующим слоем.

Инициирование горения может производиться обычной спиралью, накаливаемой током, которая в этом случае установлена вместо электродного узла. Однако этот способ менее эффективен и менее надежен, т.к. требует подачи на большую глубину большой мощности в течение гораздо более длительного времени.

Тепловыделяющие блоки изготовлены из высокоэнергетических твердофазных порошковых смесей, содержащих один или несколько твердых окислителей из ряда оксиды бора, кремния, оксиды металлов, выбранных в свою очередь, из ряда Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, РЗЭ, Hf, Та, W, Pb, Bi и один или несколько активных восстановителей, выбранных из ряда углерод, Mg, Ca, Ba, Al. Такие смеси обеспечивают "твердопламенное" (без участия газовой фазы) горение при адиабатической температуре горения 2500-3500 К и скорости горения в замкнутом объеме до 2 м/с. В качестве материалов теплоизолирующих слоев использованы асбестовый картон и керамические засыпки (шамот, оксид алюминия и т.п.).

Предлагаемое устройство (ТТГ) работает следующим образом.

ТТГ опускают на кабель-тросе в скважину и устанавливают в интервале обработки пласта. С устья скважины подают через кабель-трос электрический импульс на электродный узел 4, где формируется дуговой разряд, инициирующий горение поджигающего блока 5. При быстропротекающем (линейная скорость распространения фронта горения до 2 м/с) процессе горения тепловыделяющих блоков 6 выделяется тепло на уровне Q=3-4 МДж/кг. Этот процесс сопровождается резким подъемом температуры и давления внутри корпуса устройства. Сброс тепла через стенки корпуса не позволяет достичь адиабатической температуры горения, но тем не менее перепад температур достигает ΔТ≈1000 К, а температура внешней поверхности может превысить 420 К. Это приводит к околостеночному вскипанию слоя скважинной жидкости и к интенсивному парообразованию. Параллельно этим процессам внутри корпуса давление быстро достигает критического значения, которое приводит к раскрытию окон 10 корпуса. Раскаленные газы и пары, а также дисперсные продукты горения устремляются под давлением в скважинную жидкость. При этом теплоотдача и парообразование резко усиливаются. Поскольку суммарный процесс идет с большой скоростью, воздействие раскаленных газов и паров носит ударный характер. В результате происходит интенсивная декольматация пористой среды в призабойной зоне. После быстрого сброса давления из корпуса устройства последний заполняется скважинной жидкостью, что вызывает имплозию на забое и эффективный вынос расплавленных загрязнений из призабойной зоны скважины. Последующий мощный гидравлический удар столба скважинной жидкости дополнительно увеличивает проницаемость призабойной зоны пласта.

Предлагаемое устройство позволяет осуществить эффективную обработку призабойной зоны скважины, обеспечить существенное повышение нефтеотдачи пласта в сжатые сроки и снизить затраты по сравнению с известными решениями Применяемые в устройстве тепловыделяющие твердофазные порошковые композиции и все входящие в них компоненты по отдельности не являются взрывоопасными ни при каких условиях, а также не относятся к классу вредных веществ и могут храниться в атмосферных условиях неопределенно долгое время. Тепловыделяющие смеси, а также порошки активных металлов-восстановителей являются пожароопасными, однако для их воспламенения необходима температура не менее 1000 К или достаточно сильный искровой разряд. Таким образом, предлагаемое устройство является безопасным в обычных условиях хранения и безвредным для окружающей среды.

Пример конкретного выполнения

Устройство, схема которого представлена на чертеже, имеет корпус длиной 2 метра, изготовленный из стальной трубы (трубы ВГП черные ГОСТ 3262-75) с внутренним диаметром 40 мм в толщиной стенок 3.5 мм. С одного конца корпуса приварено днище в виде точеной полусферы, с другого конца выполнена внутренняя резьба под кабельный наконечник и кольцевая площадка для уплотнительного кольца. На концах корпуса на расстоянии 70 мм от соответствующего конца выполнены диаметрально расположенные несквозные цилиндрические углубления диаметром 10 мм и глубиной 2 мм. На дно корпуса засыпают порошок шамотной глины в таком количестве, чтобы засыпка была выше сварного шва на 10 мм. Сверху помещают пыж из трех слоев асбестового картона. Затем загружают поджигающий блок диаметром 39 мм, к нижнему торцу которого плотно прижат и закреплен липкой лентой электродный узел с разрядным промежутком 1.5 мм. Последняя величина при использованном в данном примере искродуговом генераторе ГИД-01 подбиралась предварительно исходя из обеспечения уверенного пробоя разрядного промежутка. При этом за счет соответствующего уменьшения последнего заложен не менее чем полуторный запас надежности пробоя. Изолированные проводники электродного узла выводят за пределы корпуса. Затем один за другим опускают в полость корпуса заранее отпрессованные тепловыделяющие блоки (36 штук, общим весом 5, 6 кг, средний диаметр блока 39 мм и средняя высота 51 мм). Используемая для приготовления блоков тепловыделяющая смесь состоит из смеси оксидов железа и молибдена, металлических порошков алюминия и магния. Средняя кажущаяся плотность материала блоков составляет 2,5 г/см³. В данном примере поджигающий блок был того же состава, что и тепловыделяющие блоки. Пространство корпуса под кабельным наконечником (высота этого пространства между сборкой тепловыделяющих блоков и кабельным наконечником составляла 80 мм) засыпают крупкой оксида алюминия, порошком шамотной глины. Сверху помещают пыж из трех слоев асбестового картона. Проводники электродного узла соединяют с проводниками кабельного наконечника, плотно укладывают на асбестовый пыж и прижимают при привинчивании кабельного наконечника с кабель-тросом. Затем проводят контроль ТТГ на отсутствие в цепи короткого замыкания, с помощью кабель-троса опускают ТТГ в интервал обработки пласта, подключают к кабель-тросу искродуговой генератор ГИД-01 и путем дистанционной подачи электрического импульса приводят в действие устройство для обработки призабойной зоны.

1. Устройство для обработки призабойной зоны нефтяных скважин, включающее герметичный корпус с кабельным наконечником, с загрузкой тепловыделяющей смеси и системой инициирования горения, отличающееся тем, что в стенке корпуса выполнены ослабленные локальные участки в виде несквозных углублений либо в виде сквозных окон с герметичными мембранами-заглушками, которые впаяны либо вклеены в окна, причем и те и другие расположены, по меньшей мере, в двух местах по длине корпуса - возле кабельного наконечника и возле днища, а кабельный наконечник и днище отделены от спрессованной в виде блоков тепловыделяющей смеси теплоизолирующими слоями, при этом в качестве материала поджигающих и тепловыделяющих блоков использованы высокоэнергетические термитные смеси, включающие один или несколько твердых окислителей в виде оксидов металлов и один или несколько активных металлов-восстановителей, обеспечивающих адиабатическую температуру горения 2500-3500 К и линейную скорость горения до 2 м/с, при этом система инициирования горения включает электродный узел, имеющий фиксированный межэлектродный зазор и размещенный либо сверху, либо снизу загрузки тепловыделяющих блоков.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поджигающие и тепловыделяющие смеси состоят из одного или нескольких твердых окислителей из ряда оксиды бора, кремния, оксиды металлов из ряда: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, РЗЭ, Hf, Та, W, Pb, Bi и одного или нескольких восстановителей, выбранных из ряда углерод, Mg, Ca, Ba, Al.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в системе инициирования горения предусмотрен электродный узел с разрядным промежутком, ширину которого определяют электрические параметры используемого искродугового генератора.