газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин

Формула изобретения

1. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин, включающий пороховые трубчатые бронированные заряды, размещенный под ними воспламенительный заряд и грузонесущий геофизический кабель с элементами крепления конструкции, отличающийся тем, что между воспламенительным зарядом и бронированными по внешней поверхности зарядами размещены небронированные трубчатые заряды, при этом их количество () относительно бронированных равно



где D₀, d₀ - внешний и внутренний диаметры бронированного и небронированного трубчатого заряда.

2. Газогенератор по п.1, отличающийся тем, что воспламенительный заряд имеет устройство его поджига, состоящее из воспламенительного или взрывного в защитной оболочке патрона, перфорированной трубки и заряда смесевого топлива, в канале которого размещен детонирующий шнур.

3. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин, включающий пороховые трубчатые бронированные заряды, размещенный под ними воспламенительный заряд и грузонесущий геофизический кабель с элементами крепления конструкции, отличающийся тем, что между воспламенительным зарядом и бронированными по внешней поверхности зарядами размещены небронированные трубчатые заряды с большой начальной поверхностью горения, при этом их количество () относительно бронированных равно



где D₀, d₀ - внешний и внутренний диаметры трубчатого бронированного и небронированного заряда;

е - толщина горящего свода заряда.

4. Газогенератор по п.3, отличающийся тем, что воспламенительный заряд имеет устройство его поджига, состоящее из воспламенительного или взрывного в защитной оболочке патрона, перфорированной трубки и заряда смесевого топлива, в канале которого размещен детонирующий шнур.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для разрыва и термогазохимической обработки призабойной зоны пласта пороховыми газами в скважинах различного назначения: при интенсификации добычи нефти и газа, при обезвоживании, дегазации и добыче метана на угольных пластах, при добыче металлов методом подземного выщелачивания.

Изобретение относится к устройствам, использующим режим горения твердых энергоносителей, в данном случае - твердого ракетного топлива. Эффективность воздействия таких устройств на пласт с целью улучшения его фильтрационных характеристик в призабойной зоне зависит от множества факторов, прежде всего, от амплитуды и динамики нарастания создаваемого в зоне горения импульса давления и общей длительности воздействия, определяющих количество и протяженность создаваемых трещин.

Известны многочисленные аналоги устройства - газогенераторы на твердом топливе, спускаемые в скважину на кабеле и отличающиеся конструкцией и возможностями воздействия на пласт.

В патенте США N 3174545 [1] предложено устройство, содержащее герметичные заряды из зерненного пороха, пластин и т.п. с толщиной горящего свода до 1 мм. Устройства с такого же типа зарядами, но работающими в режиме пульсаций или с пакерующими системами описаны в патенте США N 3422760 [2] и работе [3], а также в патенте США N 3090436 [4] и работе [5]. Для устройств этой группы характерно наличие металлического или полихлорвинилового корпуса. Создаваемый ими импульс давления по времени относительно небольшой (до нескольких миллисекунд), регулировка импульса давления осуществляется соотношением количества пороховых частиц различных размеров и форм и выбором оптимальной массы заряда.

В патенте США N 4530396 [6] предложено устройство, состоящее из двух зарядов. Верхний заряд, заключенный в герметичную оболочку, изготовляется из зерненого пороха, а пространство между зернами пороха заполнено маслом. Второй заряд расположен ниже и изготовлен из баллиститного пороха. Воспламенение осуществляется в центральном канале зарядов электровоспламенителем, либо в комбинации с быстрогорящим линейным воспламенителем различной длины. Первый заряд создает первоначальный импульс давления длительностью первые десятки миллисекунд и величиной, достаточной для разрыва пласта. За ним следует протяженный по времени участок относительно пониженного давления, но достаточного для увеличения размеров трещин, образованных начальным импульсом давления. Как и вышеуказанных устройств, недостатками его являются сложность изготовления герметичных зарядов из зерненного пороха, а также возможность воздействия на пласт импульсом только с высокоскоростным фронтом нарастания давления и малой продолжительности.

В патентах США N N 4683943 [7] и 5005641 [8] описаны устройства с применением зарядов из твердого ракетного топлива и быстросгорающих мощных линейных воспламенителей. В первом устройстве заряды имеют защитное внешнее покрытие. При соответствующей сборке они могут работать в циклическом режиме, а также с кумулятивным перфоратором. Во втором устройстве заряды помещены в металлический перфорированный корпус. Оба устройства отличаются от вышеописанных тем, что регулировка импульса давления осуществляется только выбором массы заряда, они создают меньшую скорость нарастания, но большую продолжительность эффективного импульса давления, до 100 мс. (Эффективное давление - величина давления, составляющая примерно 0,8 горного давления, достаточная для образования искусственных трещин).

Работа всех перечисленных газогенераторов характеризуется высокой скоростью нарастания нагрузки на пласт, превышающей 10⁴ МПа/с, что по материалам американских исследователей [9, 10] приводит к образованию многочисленных трещин.

Известна конструкция газогенератора с зарядами твердого ракетного топлива, в котором для увеличения скорости нарастания давления и образования множества трещин используют систему воспламенения детонационного действия, расположенную в центральных каналах зарядов по всей их длине [11]. Мощный воспламенительный импульс от продуктов детонации шнура создает в зарядах развитую систему новых поверхностей горения. В результате скорость нарастания нагрузки достигает 10⁵ - 10⁶ МПа/с, что приводит к образованию в пласте 4-10 трещин. Диаметр, количество зарядов и энергия системы воспламенения варьируются и могут быть оптимизированы для получения наилучших результатов в конкретной скважине. Общая продолжительность эффективного импульса давления составляет от нескольких до 100-200 мс. Обычно спуск зарядов в скважину осуществляется в стальном перфорированном корпусе. Однако ввиду ограниченных возможностей регулировки продолжительности действия давления разрыва пласта протяженность образующихся трещин не превышает 5-7 м. Увеличение количества зарядов в сборке газогенератора приводит к резкому возрастанию максимального давления пороховых газов и, как следствие, к возможным повреждениям конструкции скважины.

Известны скважинные аккумуляторы давления АДС [12], где значительная по массе и длине сборка газогенератора из небронированных зарядов поджигается снизу и сверху одновременно электрической спиралью, вмонтированной в торцы воспламенительных зарядов.

Недостаточная мощность теплового импульса поджига зарядов и длительное время распространения газового фронта воспламенения снизу вверх по скважине обуславливают невысокую скорость газообразования и генерацию продолжительного по времени импульса давления со скоростью нарастания нагрузки Газогенераторы подобного типа применяют в основном для воздействия на прискважинную зону пласта с целью очистки от кольматантов.

Существенно большие возможности регулировки скорости нарастания нагрузки получают за счет применения небронированных зарядов с высокой начальной поверхностью горения и малой толщиной горящего свода. Например, заряды со щелями в массе топлива [13] или многотрубчатые блочные изделия повышают до величины 10⁴ МПа/с. Однако, продолжительность эффективного импульса давления и, следовательно, протяженность создаваемых трещин при применении этих конструкций остаются недостаточными.

В патенте РФ N 2018508 [14] предложен газогенератор с детонационной системой воспламенения трубчатых зарядов, состоящих из смесевого твердого топлива. Каждый заряд имеет бронепокрытие по боковой поверхности и тонкостенную металлическую трубку в центральном канале, в которой по всей длине сборки генератора проложен детонирующий шнур, соединенный с герметичным взрывным патроном. Этот быстросгорающий газогенератор позволяет в короткий промежуток времени развивать достаточно высокие давления и производить многотрещинный разрыв.

Возможность регулировки длительности импульса давления на базе такого газогенератора предложена в патенте РФ N 2047744 [15], в котором имеются аналогичные воспламенительные заряды, в виде одной или нескольких групп, над ними или между ними располагаются заряды с толстостенной металлической трубкой в центральном канале и их воспламенение осуществляется от горячих газов воспламенительных зарядов. Продолжительность эффективного импульса давления можно регулировать от единиц до нескольких сотен миллисекунд.

Недостатками этого газогенератора являются: засоряемость скважины остатками металлических трубок воспламенительных зарядов, которые разбиваются детонирующим шнуром на ленты с рваными краями и могут создавать условия непрохождения для скважинных приборов при последующих исследованиях; высокая металлоемкость и необходимость применения дорогостоящих смесевых топлив.

В патенте РФ N 933959 [16] описан пороховой генератор давления ПГДБК-100М. Этим устройством обработано более 10 тысяч скважин в различных регионах РФ и странах СНГ. Он принят за прототип предлагаемого устройства. Генератор состоит из трубчатых пороховых зарядов, бронированных по внешней поверхности. Один из центральных зарядов в сборке генератора является воспламенительным, в его канале размещена герметичная металлическая трубка с электрозапалом и шашками из пиротехнического состава. В каналах остальных зарядов вложены пороховые шашки, служащие для увеличения поверхности горения и имеющие центральный канал под несущий кабель.

Количество трубчатых пороховых зарядов зависит от условий в скважине, типа коллектора, его механических и коллекторских свойств и определяется расчетным путем (компьютерное моделирование) или на основе номограмм и графиков [17].

Основным недостатком применяемого генератора давления является малая скорость нарастания давления со временем и отсутствие возможности ее регулирования, а также ограничение количества зарядов по условиям прочности конструкции скважины.

Другим недостатком прототипа является использование герметичного металлоемкого воспламенительного устройства. Незначительное проникновение влаги внутрь устройства приводит к отказам воспламенения гигроскопичных шашек из пиротехнического состава. Кроме того, воспламенительное устройство подобного типа обеспечивает "мягкий" режим поджига воспламенительного заряда за счет локального теплового разогрева металлической трубки до высокой температуры. В конечном итоге, газогенератор с "мягким" режимом поджига продуцирует импульс с невысокой скоростью нарастания давления порядка , что приводит к образованию в пласте единичной пары трещин.

Подводя итоги обзора существующих конструкций газогенераторов на твердом топливе, способных развивать высокие давления, достаточные для разрыва пласта, можно отметить следующее.

Разработки газогенераторов в США с применением зерненных порохов и ракетных топлив направлены на создание корпусных аппаратов, создающих высокоскоростные короткоимпульсные силовые нагрузки, приводящие к образованию в породе множества трещин небольшой протяженности.

Разработки газогенераторов в РФ были направлены на создание бескорпусных аппаратов с применением трубчатых зарядов из ракетных топлив, после сгорания которых на поверхность извлекается в основном только грузонесущий кабель. Известны газогенераторы с быстро и медленно сгорающими зарядами, способные соответственно образовывать множество трещин небольшой протяженности или единичные трещины большой протяженности.

Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции газогенератора на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин, позволяющей увеличить скорость нарастания давления в скважине.

Поставленная задача решается тем, что между воспламенительным зарядом, расположенным внизу сборки газогенератора, и известным количеством бронированных зарядов высотою H_бр располагается определенное количество небронированных трубчатых пороховых зарядов высотою H (фиг. 1), или зарядов с большой начальной поверхностью горения. Определим зависимость H от H_бр.

Согласно [17] скорость нарастания давления пороховых газов при горении бронированных зарядов определяется соотношением



где - коэффициент, учитывающий тепловые потери;

f - сила пороха;

_П плотность пороха;

m - масса порохового заряда;

S_с - площадь сечения скважины;

и x - скорость границы раздела между продуктами горения и скважинной жидкостью и расстояние, проходимое этой границей раздела,



V_Т - объем образуемых трещин в пласте, (dV_Т/dt Р),

V - объем, занимаемый сгоревшим пороховым зарядом.

Изменение массы сгорающего трубчатого порохового заряда со временем равно



где U - текущая скорость горения;

U₁ - скорость горения при P=P₁;

S(t) - текущая поверхность горения.

Из уравнений (1) и (2) следует, что





при

где K₁ и K₂ - коэффициенты пропорциональности, определяемые из уравнений (1) и (2);

S₀ и S - поверхности горения при t=0 и t= ), когда достигается P_max.

Из уравнения (4) следует, что для поддержания необходимого перепада давления P_max после сгорания небронированных зарядов предлагаемого генератора высотою (H + H_бр) необходимо обеспечить условие



где D₀ и d₀ - внешний и внутренний диаметры трубчатого заряда.

Справа в уравнении (5) записано значение конечной поверхности известного генератора давления [17], для которого, с достаточной для практических целей степенью точности, длину порохового заряда, обеспечивающего повышение давления в скважине до требуемой величины, определяют по формуле



где ₀ = 0,8-0,9;

К (0,9-1,2)10^-3;

D - диаметр скважины.

Отсюда



что при D₀ >> d₀ составляет 0,5.

После сгорания всех небронированных зарядов давление несколько уменьшается, а затем снова достигает того же перепада P_max вследствие прогрессивного характера горения бронированных зарядов. При этом, в соответствии с соотношением (3), скорость нарастания давления, увеличивается в n раз



На фиг. 2 представлены зависимости P(t), полученные расчетным путем на компьютере, при горении известного порохового заряда высотою H_бр = 2 м (кривая 1) и предлагаемого заряда высотою H + H_бр = 1 м + 2 м = 3 м (кривая 2) в 5"" скважине при гидростатическом давлении P₀ = 30 МПа.

Если в качестве небронированных зарядов применять заряды с большой поверхностью горения, например щелевые или многотрубчатые, то уравнение (5) примет вид



где m - масса заряда;

e - толщина горящего свода заряда.

Отсюда:



Таким образом, использование в заявляемой конструкции газогенератора комбинации из бронированных и небронированных зарядов, взятых в определенном соотношении, позволяет увеличить скорость нарастания давления в несколько раз. Если одновременно в предлагаемой конструкции заменить герметичное воспламенительное устройство на негерметичное с дополнительным зажигательным зарядом (фиг. 1), дающее прямой форс огня на ракетное топливо одного-двух воспламенительных зарядов газогенератора с развитой начальной поверхностью горения (см. фиг. 3), то скорость нарастания давления повышается на порядок.

Еще большее увеличение скорости нарастания давления достигается путем применения воспламенительного устройства детонационного действия (фиг. 4) со взрывным патроном, детонирующим шнуром и дополнительным зажигательным зарядом из смесевого топлива, размещенными в перфорированном корпусе. При срабатывании такого устройства в топливе воспламеняемого заряда образуется сеть радиальных и концентрических трещин, а дополнительный зажигательный заряд, инициируемый продуктами детонации шнура, дает большое количество воспламенительных газов при высоком давлении. В сочетании с зарядами с высокоразвитой начальной поверхностью горения (фиг. 3) скорость нарастания давления достигает величины (см. кривую 3 на фиг.2), необходимой для многотрещинного разрыва.

Компьютерное моделирование процесса горения зарядов для различных скважинных условий показывает, что по длительности воздействия на пласт и, соответственно, возможности образовывать более протяженные трещины предлагаемый газогенератор превосходит известные аналоги на 20 - 30%.

Предлагаемый газогенератор представлен на фиг. 1-4.

Фиг. 1. Схема газогенератора, состоящего из определенного количества бронированных 1 и небронированных 2 и 3 зарядов и устройства поджига, в котором внутри перфорированной трубки 4 размещены воспламенительный патрон 5, детонирующий шнур 6 и дополнительный заряд смесевого топлива 7.

Фиг. 2. Зависимости P(t), полученные расчетным путем для следующих условий: 1 - горение известного бронированного заряда высотою 2 м при устройстве поджига огневого типа; 2 - горение предлагаемого небронированного заряда высотою 1 м и бронированного заряда высотою 2 м при устройстве поджига такого же типа; 3 - горение небронированного заряда с развитой поверхностью горения согласно фиг. 3 и бронированного заряда при устройстве поджига детонационного типа согласно фиг. 4.

Фиг. 3. Схема нижней части газогенератора, аналогичного фиг. 1, в котором в качестве воспламенительного заряда 3 применен щелевой или многотрубчатый заряд 8, а в качестве устройства поджига - воспламенительный патрон 5.

Фиг. 4. Схема нижней части газогенератора, аналогичного фиг. 1, в котором реализовано устройство поджига детонационного типа, состоящее из взрывного патрона 9, детонирующего шнура 6 и дополнительного заряда смесевого топлива 7.

На фиг. 1 показан основной вариант исполнения предлагаемого газогенератора по данному изобретению. Газогенератор состоит из бронированных 1 и небронированных 2 трубчатых зарядов, нижнего воспламенительного заряда 3, в канале которого размещено негерметичное устройство поджига, состоящее из перфорированной трубки 4, головки крепления кабеля 10, воспламенительного патрона 5, детонирующего шнура 6 и дополнительного заряда смесевого топлива 7. Газогенератор монтируется на косе 11 геофизического кабеля, заряды стягиваются наконечниками-обтекателями 12 и 13.

Бронепокрытие 14 зарядов выполняется из несгораемого, но легко разрушаемого материала, не засоряющего скважину. Концы небронированных зарядов имеют защитные пояски для безопасного спуска газогенератора в скважину.

На фиг. 3 приведен второй вариант схемы газогенератора, в котором трубчатый воспламенительный заряд 3 заменен на щелевой или многотрубчатый заряд 8, имеющий большую поверхность горения. При этом показано устройство его поджига от воспламенительного патрона 5, который закрепляется на специальном узле и плотно прижимается к поверхности внутреннего канала заряда.

На фиг. 4 показан третий вариант схемы газогенератора, в котором применено устройство поджига детонационного типа, состоящее из перфорированной трубки 4, взрывного патрона 9, снабженного резиновым чехлом для предохранения от полного разрыва трубки 4, детонирующего шнура 6 и дополнительного заряда 7, изготовленного из смесевого топлива. Конструкция такого устройства поджига позволяет применять в воспламенительных зарядах 3 как смесевое, так и баллиститное топливо без опасности возбуждения его детонации.

Следует отметить, что скважинные газогенераторы работают в скважинной жидкости при высоком гидростатическом давлении. Наши прямые эксперименты с инертными моделями скважинных зарядов при взрывании в их канале детонирующих шнуров с навеской до 40-50 г на погонный метр в условиях ограниченных поперечных размеров ствола скважины показали, что заряды не дробятся на отдельные фрагменты, а лишь возникают нарушения сплошности в виде радиальных и концентрических трещин.

Газогенератор работает следующим образом.

Его собирают непосредственно у устья скважины и опускают в заданный интервал на геофизическом кабеле. От взрывной машинки по кабелю подается электрический импульс на воспламенительный патрон 5 (фиг. 1 и 3) или взрывной патрон 9 (фиг. 4). При срабатывании патрона 5 воспламеняются и сгорают детонирующий шнур 6 и дополнительный заряд 7; от их продуктов горения загорается воспламенительный заряд 3 по внутренней и наружной поверхности. При срабатывании взрывного патрона 9 детонирует шнур 6; от продуктов их детонации загорается дополнительный заряд 7, от которого загорается воспламенительный заряд 3.

Продукты горения заряда 3 поджигают небронированные заряды 2, расположенные выше. Затем, с некоторой задержкой, начинается горение бронированных зарядов 1, расположенных в верхней части газогенератора. Горение зарядов 2 происходит по внутреннему каналу и наружной поверхности одновременно. При этом основной фронт огня распространяется параллельными слоями от центрального канала и боковых поверхностей внутрь заряда. Горение зарядов 1 начинается практически одновременно по всей поверхности центральных каналов, при этом основной фронт огня распространяется параллельными слоями от центрального канала в сторону боковой поверхности.

Когда генерируемая в единицу времени энергия горения зарядов превышает потери энергии на нагревание окружающей среды, на подъем скважинной жидкости и задавливание ее и продуктов горения в пласт, происходит повышение давления в скважине. При определенных соотношениях скважинного, пластового и горного давлений создаются условия для раскрытия естественных или образования искусственных трещин, которые в дальнейшем полностью не смыкаются.

По нашим оценкам трещины, а также тепловое и физико- химическое воздействие пороховых газов на пласт распространяются в радиусе до 15 м и более.

Как видно на фиг. 2, горение зарядов сопровождается пульсациями давления, которые также способствуют повышению эффективности обработки за счет разрушения стенок трещин и кольматантов знакопеременными нагрузками.

Предлагаемое устройство расширяет возможности воздействия на пласт за счет выбора (планирования) скорости нагружения пород, исходя из их физических свойств, а также за счет увеличения продолжительности силового воздействия, которая, исходя из реально существующих линейных скоростей горения топлив и геотехнических условий скважин, при центральной системе воспламенения может достигать 1-1,5 с.

Источники информации

1. Патент США N 3174545. Method of stimulating well production by explosive induced hydraulic fracturing of productive formation. Henry H. Mohaupt (США).-N 708481; Заявл. 13.01.58; Опубл. 23.03.65; НКИ 166/36.

2. Патент США N 3422760. МКИ E 21 B 43/26. Gas - generating device for stimulating the flow of well fluids. Henry H. Mohaupt (США). - N 584563; Заявл. 05. 10.66; Опубл. 21.01.69; НКИ 102- 21.6.

3. Shrnidf R.A., Warpinski N.R., Cooper P.W. Jn Situ Evaluation of Several Tailored - Pulse Well Shooting Concepts//Paper SPE 8934 presented at the SPE/DOE Symposium on Unconventional Gas Recovery. Pittsburgh. 1980, May.

4. Патент США N 3090436. Wire line hydraulic fracturing tool. Geerge K. Briggs, Halliburton Co (США).-N 844, 670; Заявл. 06.10.59; Опубл. 21.05.63; НКИ 166/63.

5. Guderman J.F., Nothrop D.A. A Propellant - Based Technology for Multiple Fracturing Wellbores to Enchance Gas Recovery: Aplication and Results in Devonian Shale //Unconventional Gas recovery Symposium. Pittsburgh, P.A. May, 1984.

6. Патент США N 4530396, МКИ³ E 21 B 29/02, E 21 B 43/25. Device for stimulating a subterranean formation. Henry H. Mohaupt (США). - N 483251; Заявл. 08.04.83; Опубл. 23.07.85; НКИ 166/63.

7. Патент США N 4683943, МКИ³ E 21 B 21/02. Well Treating system for stimulating recovery of fluids. Gilrnan A. Hill, Richard S. Passmaneck, Kevell J. Tonrym; Mt. Moriaach Trust (США). - N 890077; Заявл. 24.07.86; Опубл. 04.08.87; НКИ 166/63.

8. Патент США N 5005641, МКИ³ E 21 B 43/263; F 42 В 3/10. Gas generator with improved ignition assembly. Henry H. Mohaupt (США). - N 546, 898; Заявл. 02.08.90; Опубл. 09.04.91; НКИ 166/63.

9. Pionering new concepts in wireline conveyed stimulation and serveillance. Hi Tech natural resources, Jnc, 1991.

10. Swift R.P., Kusubov A.S. Multiple Fracturing of Boreholes By Using Tailored - Pulse Loading. SPE Journal, 1982, N 12, pp. 923 - 932.

11. Haney В. , Cuthill D. Technical review of the high energy gas stimulation technique. Computalog Ltd, 1996.

12. Чазов Г.А., Азаматов В.И. и др. Термохимическое воздействие на малодебитные и осложненные скважины. М.: Недра, 1986.

13. Авторское свидетельство СССР N 1704513 A1, 5 кл. E 21 B 43/263. Устройство для воздействия на пласт давлением продуктов сгорания твердого топлива. Сухоруков Г.И., Беляев Б.М. и др. Заявл. 03.05.1988, Зарегистрировано 08.09.1991.

14. Патент РФ N 2018508, C1, 5 С 06 С 5/00. Твердотопливный скважинный газогенератор. Крощенко В. Д. , Колясов С.М. и др. Заявл. 02.01.90; Опубл. 30.08.94, Бюл. N 16.

15. Патент РФ N 2047744, C1, 6 E 21 B 43/11, 43/26. Устройство для воздействия на пласт. Гайворонский И.Н., Крощенко В.Д. и др. Заявл. 23.03.92; Опубл. 10.11.95; Бюл. N 31.

16. Патент РФ N 933959, М.кл³ E 21 B 43/26, (прототип). Пороховой генератор давления для скважины. Беляев Б.М., Слиозберг Р.А. и др. Заявл. 06.11.1980; Опубл. 07.06.1982; Зарегистрировано 24.08.1995.

17. Инструкция по применению пороховых генераторов давления ПГД.БК в скважинах. Беляев Б.М., Грибанов Н.И. и др., М., ВИЭМС, 1989.0