скважинный нагреватель для инициирования термогазохимических реакций в скважинах сложного профиля

Формула изобретения

1. Скважинный нагреватель для инициирования термогазохимических реакций в скважинах сложного профиля, содержащий полый цилиндрический корпус с установленными в нем нагревательным элементом, соединенным с источником электропитания через герметизированный электроразъем, и топливным элементом, соприкасающимся с нагревательным элементом, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде проводника из металла высокого сопротивления, запрессованного в инициирующий элемент, плотно контактирующий с топливным элементом и обеспечивающий его зажигание, причем максимальный диаметр D скважинного нагревателя не превышает минимальный внутренний диаметр эксплуатационной колонны в наиболее узком интервале, а оптимальная длина L скважинного нагревателя определяется из условия

L 2d_min/tg( /4), мм,

где d_min - минимальный внутренний диаметр эксплуатационной колонны;

- минимальный угол закругления в контуре скважины.

2. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливный элемент сформирован под давлением не ниже давления в скважине на глубине предстоящей обработки нефтесодержащего интервала.

3. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливный элемент выполнен в виде цилиндрического брикета с углублением для установки инициирующего элемента.

4. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливный элемент выполнен в виде пакета плоских топливных шашек, часть из которых выполнена кольцеобразными.

5. Скважинный нагреватель по п.4, отличающийся тем, что топливные шашки в пакете установлены плотно прижатыми друг к другу.

6. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала топливного элемента использовано безгазовое термитное топливо.

7. Скважинный нагреватель по п.6, отличающийся тем, что в качестве термитного топлива использован железоалюминиевый термит с инертной добавкой.

8. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала топливного элемента использованы пиротехнические кислородосодержащие составы.

9. Скважинный нагреватель по п.8, отличающийся тем, что в качестве пиротехнических составов использованы хлораты, или фтораты, или загущенная перекись водорода, или кристаллическая аммиачная селитра.

10. Скважинный нагреватель по п.8, отличающийся тем, что топливный элемент из пиротехнического состава сформирован с добавками на основе эпоксидного связующего, упрочняющего топливный элемент.

11. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что инициирующий элемент выполнен из того же материала, что и топливный элемент, но с другим количеством инертных добавок, обеспечивающим более низкую температуру его воспламенения по сравнению с температурой горения топливного элемента.

12. Скважинный нагреватель по п.11, отличающийся тем, что инициирующий элемент сформирован под давлением не ниже давления в скважине на глубине предстоящей обработки нефтесодержащего интервала.

13. Скважинный нагреватель по п.11, отличающийся тем, что при вероятности заводнения интервала обработки материал топливного элемента подобран таким образом, чтобы обеспечить максимальную температуру термогазохимической реакции.

14. Скважинный нагреватель по п.13, отличающийся тем, что материал топливного элемента подобран путем добавления алюминиевой пудры или гранулированного магния.

15. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде проводника из инварной или вольфрамовой проволоки.

16. Скважинный нагреватель по п.15, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в форме спирали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефте- и газодобывающей промышленности, и может быть использовано для активизации и возобновления притоков в нефтяных и газовых скважинах. Кроме того, оно может быть использовано для закрепления неустойчивых лессовых, песчанистых, суглинистых грунтов.

Известен скважинный электронагреватель по патенту РФ № 2006571, МПК Е21В 36/04, опубл. 30.01.1994 г., содержащий полый цилиндрический корпус с установленным в нем нагревательным элементом и токопровод в его верхней части, подключенный к источнику питания с помощью герметизированного кабельного разъема. Этот нагреватель может создавать локальный прогрев прискважинных зон или трубопроводов до температуры порядка 400°С.

Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает долговременный высокотемпературный режим, необходимый для удаления асфальтосмолистых и парафиногидратных отложений в прискважинной зоне, и восстановление гидродинамической связи с пластом. Кроме того, скважинный нагреватель требует большого расхода энергии, дорогостоящего бронированного кабеля и имеет ограничение использования по глубине и диаметру обслуживаемой скважины.

Также известно устройство для теплового разрушения асфальтосмолистых, гидратопарафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах по патенту РФ № 2105134, МПК Е21В 37/00, 36/04, опубл. 20.02.1998 г., основным принципом работы которого является концентрация энергии в его носовой части. Корпус устройства, в котором расположены тепловые электронагреватели (ТЭН), выполнен цельным или из отдельных связанных или несвязанных между собой частей с прямой, ступенчатой или волнообразной образующей и увеличивающимся диаметром в поперечных сечениях от носовой части к головной. В качестве объемного сопротивления в носовой части устройства установлен теплоизлучатель, выполненный из материалов с высокой температурой плавления, например, из высокоомных электропроводящих материалов (уголь, графит, алмаз, вольфрам, ниобит и т.п.), или из электроизоляционных материалов (кремний, глина, кварц, корунд, шпат, магнезит и т.п.), или из их смеси.

Недостатками данного устройства также являются недостаточная температура на его поверхности для эффективного воздействия на прискважинную зону, большая энергозатратность, высокая степень отказа из-за возможности нарушения подающего электроэнергию кабеля.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является скважинный нагреватель по патенту РФ № 2168008, МПК Е21В 43/25, 43/24, 43/27, 36/00, 37/06, опубл. 27.05.2001 г., принятый за прототип. Скважинный нагреватель содержит полый цилиндрический корпус с установленными в нем нагревательным элементом, соединенным с токовводом в виде герметизированного электроразъема и подключенным к источнику питания, и топливным элементом. Нагревательный элемент установлен в нижней части топливного элемента, у нижней съемной крышки корпуса, с возможностью плотного контакта с топливным элементом, а топливный элемент выполнен с использованием безгазового термитного топлива, в качестве которого может быть использован, например, железоалюминиевый термит с инертной добавкой.

Основными недостатками устройства являются высокая частота отказов вследствие разрушения корпуса нагревателя давлением жидкости в скважине на интервале обработки, невозможность его применения, из-за больших продольных габаритных размеров, в наклонно пробуренных, выполаживающихся и горизонтальных скважинах со сложным контуром бурения, при котором происходит застревание и деформация корпуса, а также воздействие тепла от нагревателя на электроподающий кабель, приводящее к его порче.

Изобретение решает задачу повышения эффективности использования скважинного нагревателя путем расширения области его применения и повышения надежности его работы.

Технический результат от использования изобретения заключается в расширении области применения устройства за счет возможности осуществления термогазохимической обработки нефтяных и газовых скважин сложного профиля, а также в повышении надежности его работы путем учета давления, в том числе и давления жидкости в обводненных скважинах, на интервале обработки прискважинной зоны и повышения прочности устройства.

Технический результат достигается тем, что в скважинном нагревателе, содержащем полый цилиндрический корпус с установленными в нем нагревательным элементом, соединенным с источником электропитания через герметизированный электроразъем, и топливным элементом, соприкасающимся с нагревательным элементом, согласно изобретению нагревательный элемент выполнен в виде проводника из металла высокого сопротивления, запрессованного в инициирующий элемент, плотно контактирующий с топливным элементом и обеспечивающий его зажигание, причем максимальный диаметр D скважинного нагревателя не превышает минимального внутреннего диаметра эксплуатационной колонны в наиболее узком интервале, а оптимальная длина L скважинного нагревателя определяется из условия

L 2d_min/tg( /4), мм,

где d_min - минимальный внутренний диаметр эксплуатационной колонны;

- минимальный угол закругления в контуре скважины.

Кроме того, топливный элемент скважинного нагревателя сформирован под давлением не ниже давления в скважине на глубине предстоящей обработки нефтесодержащего интервала и выполнен в виде цилиндрического брикета с углублением для установки инициирующего элемента, или в виде пакета плоских топливных шашек, часть из которых выполнена кольцеобразными. При этом топливные шашки в пакете установлены плотно прижатыми друг к другу.

Кроме того, в качестве материала топливного элемента использовано безгазовое термитное топливо, например, железоалюминиевый термит с инертной добавкой.

В качестве материала топливного элемента могут быть использованы пиротехнические кислородосодержащие составы, выбранные из группы: хлораты, или фтораты, или загущенная перекись водорода, или кристаллическая аммиачная селитра.

Топливный элемент из пиротехнических составов может быть сформирован с добавками на основе эпоксидного связующего, упрочняющего топливный элемент.

Кроме того, инициирующий элемент скважинного нагревателя выполнен из того же материала, что и топливный элемент, но с другим количеством инертных добавок, обеспечивающим более низкую температуру его воспламенения по сравнению с температурой горения топливного элемента, например, порядка 200-400°С. При этом инициирующий элемент сформирован под давлением не ниже давления в скважине на глубине предстоящей обработки нефтесодержащего интервала.

Кроме того, при вероятности заводнения интервала обработки, материал топливного элемента должен быть подобран таким образом, чтобы обеспечить максимальную температуру термогазохимической реакции, в частности, путем добавления таких добавок как алюминиевая пудра или гранулированный магний.

Кроме того, нагревательный элемент скважинного нагревателя выполнен в виде проводника из инварной или вольфрамовой проволоки и сформирован, например, в виде спирали.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлен общий вид скважинного нагревателя в разрезе, на фиг.2 - схема расположения нагревателя в скважине.

Скважинный нагреватель содержит полый цилиндрический корпус 1 с установленным в нем топливным элементом 2, выполненным, например, в виде цилиндрического брикета из термитных или пиротехнических составов, сформированного под давлением не ниже давления в скважине на глубине предстоящей обработки нефтесодержащего интервала.

В варианте исполнения топливный элемент 2 может быть выполнен в виде пакета плоских и/или кольцеобразных топливных шашек, установленных так, чтобы они были плотно прижаты друг к другу.

В качестве материала для топливного элемента 2 может быть использовано безгазовое термитное топливо, например, железоалюминиевый термит с инертной добавкой.

Температура горения топливного элемента должна составлять примерно 1000-1700°С. Как известно, в результате реакции горения термитного топлива образуются твердые (порошкообразные) продукты реакции и выделяется большое количество тепла. Обычно температура горения термитного топлива находится в пределах 1800-2400°С, но ее можно регулировать до необходимой величины, например, упомянутой выше, введением различного количества инертной добавки, в качестве которой используют, например, порошок оксида алюминия или гранулированный магний.

В качестве материала для топливного элемента могут быть использованы также пиротехнические (кислородосодержащие) составы, например, хлораты, фтораты, загущенная перекись водорода, кристаллическая аммиачная селитра и т.п.

Для дополнительного повышения прочности топливного брикета в качестве связующего в его состав может быть введена эпоксидная смола.

Цилиндрический корпус 1 может быть выполнен из тонколистового легкоплавкого металла или, например, из термоусадочной полиуретановой оболочки, плотно облегающей топливный элемент 2. Торцы корпуса 1 заглушены с одной стороны крышкой 3, а с другой стороны - дном 4, на котором установлен направляющий конус 5.

На крышке 3 через изолирующую прокладку 6 установлен с помощью резьбового соединения герметизированный электроразъем 7, подключенный к источнику электропитания 8 (фиг.2), расположенному на земной поверхности, например, с помощью электроподающего геофизического кабеля 9. Источник электропитания 8 в варианте исполнения может быть выполнен в виде автономной аккумуляторной батареи и подключен непосредственно к электроразъему 7, и тогда вместо электроподающего кабеля 9 скважинный нагреватель может быть спущен в скважину на обычном тросе.

Герметизированный электроразъем 7 устанавливают на крышке 3 на эпоксидном компаунде.

Топливный элемент 2 плотно контактирует с нагревательным элементом 10, также размещенным в корпусе 1 и соединенным с герметизированным электроразъемом 7. Нагревательный элемент 10 выполнен в виде проводника 11, например, свернутого в форме спирали, из металла высокого сопротивления такого, как инварная или вольфрамовая проволока и т.п., и впрессованного в инициирующий запальный элемент 12 с температурой воспламенения порядка 200-400°С. Проводник 11 представляет собой, по существу, электровоспламенитель (ЭВ), предназначенный для запуска (зажигания) скважинного нагревателя, а его выводы 13 подключены к электроразъему 7 через клеммную колодку 14, расположенную в корпусе 15 электроразъема 7 и позволяющую избежать чрезмерного скручивания выводов 13 при установке электроразъема 7 в устройство.

При этом нагревательный элемент выполнен на основе спирали из металла высокого сопротивления и не содержит взрывчатых веществ, как некоторые известные электровоспламенители, что существенно отражается на безопасности проведения работ по термогазохимической обработке скважин.

Инициирующий (запальный) элемент 12 выполнен из того же материала, что и топливный элемент 2, то есть из термитного топлива с инертными добавками или пиротехнического состава, а его плотный контакт с топливным элементом 2 обеспечивается путем установки его с натягом, например, запрессовыванием, в отверстие соответствующей формы, выполненное в топливном элементе, если последний представляет собой цельный брикет. В том случае, если топливный элемент 2 выполнен составным, а в его в верхней части расположена кольцеобразная топливная шашка, то инициирующий элемент 12 выполняется по форме отверстия в шашке и устанавливается в нем без зазоров.

Предельные геометрические размеры скважинного нагревателя выбираются таким образом, чтобы они позволяли переместить его без застревания на заданный интервал обработки по скважине сложного профиля с учетом минимального диаметра эксплуатационных колонн, и прежде всего, насосно-компрессорных труб (НКТ), а также углов закругления при бурении скважин. При этом по результатам проведенных экспериментальных исследований было установлено, что максимальный диаметр D скважинного нагревателя должен быть не более минимального внутреннего диаметра эксплуатационной колонны в наиболее узком интервале, а оптимальная длина L скважинного нагревателя должна определяться по формуле

где d_min - минимальный внутренний диаметр эксплуатационной колонны;

- минимальный угол закругления в контуре скважины.

Например, при угле закругления около 90° тангенс одной его четверти, т.е. 22,5°, равняется 0,41. При обычном внутреннем диаметре эксплуатационной колонны 45-50 мм общая длина L скважинного нагревателя составит около 243 мм. При этом необходимо отметить, что повороты скважины на 90° практически не встречаются и приведены здесь как предельный случай. Чаще всего углы закругления скважин превосходят 100° и более, так что при 120-140° длина L скважинного нагревателя составит 350-600 мм и более.

Скважинный нагреватель работает следующим образом.

Перед началом операций по термогазохимическому воздействию на участок нефтяной или газовой скважины 16, имеющей сложный профиль, по данным инклинометрических исследований и проекту проведения скважины определяют минимальные углы закруглений и минимальные внутренние диаметры эксплуатационных колонн и насосно-компрессорных труб скважины, по которым предполагается перемещение скважинного нагревателя. В соответствии с полученными данными, а также исходя из условий эксплуатации скважины, в частности, глубины расположения обрабатываемого участка в скважине, ее обводненности и т.д., рассчитывают предельные геометрические и составные параметры скважинного нагревателя, позволяющие ему достичь интервала обработки. Так, в зависимости от глубины обрабатываемого участка устанавливают давление формирования топливных и инициирующих элементов; в зависимости от геометрических элементов конструкции скважины определяют длину и максимальный диаметр нагревателя, позволяющие переместить его на заданный интервал по скважине; с учетом условий эксплуатации скважины выбирают материал и состав топливного элемента, обеспечивающие необходимую температуру воздействия на прискважинную зону.

Перед монтажом в скважине осуществляют сборку скважинного нагревателя, для чего, по данным скважинных исследований, устанавливают давление на интервале предстоящей обработки, после чего формируют топливные элементы 2 либо в виде цилиндрических брикетов, например, из безгазового термитного топлива или из пиротехнических составов (кислородосодержащих веществ), прессуя их под давлением не ниже давления на интервале обработки, либо в виде плоских цилиндрических шашек или коаксиальных колец, также изготовляемых при тех же условиях по давлению.

Для увеличения прочности топливного элемента при формировании в его состав добавляют, например, эпоксидную смолу, а температуру реакции, при наличии обводненности скважины, регулируют в сторону повышения добавлением алюминия (в виде пудры) или магния (в гранулированном виде). В углублении, выполненном в верхней части брикета топливного элемента 2, или в отверстии кольцеобразной шашки размещают запальный инициирующий элемент 12, с запрессованным в нем проводником 11 в форме спирали из металла с высоким сопротивлением, сформированный под тем же давлением, что и топливный элемент, и необходимый для запуска скважинного нагревателя.

После этого брикет с запальным элементом помещают, например, в полиуретановую термоусадочную водонепроницаемую оболочку, образующую корпус 1, подключают нагревательный элемент 10 через клеммную колодку 14 к электроразъему 7, соединенному, например, кабелем 9 с источником электропитания 8, расположенным на земной поверхности, либо с устройством, снабженным автономными батареями и размещенным в корпусе или в соседнем модуле и срабатывающим по таймеру или по кодовому датчику повышения давления.

В скважину 16 (фиг.2), оборудованную насосно-компрессорными трубами (НКТ) 17, вскрывающую нефте- или газоносный пласт 18 и перфорированную на интервале обработки, загружают смесь 19 кислородсодержащего и углеродсодержащего веществ для термогазохимической обработки, а затем опускают скважинный нагреватель 20, предварительно приведенный в рабочее состояние.

Включают источник питания 8, и через кабельный электроразъем 7 и проводники 13 подают напряжение на электроды нагревательного элемента 10, сначала поджигая инициирующий состав 12, который затем, в свою очередь, поджигает топливный элемент 2. После этого кабельный электроразъем 7 может быть отсоединен, и скважинный нагреватель готов к опусканию в скважину 16 на обычном тросе, прикрепленном к корпусу 1 нагревателя 20. Дальнейшего расхода электроэнергии и дорогостоящего электрического кабеля не требуется.

Скважинный нагреватель 20 опускают в скважину 16 примерно на глубину интервала перфорации и осуществляют инициирование окислительной реакции смеси 19 с помощью разогретого скважинного нагревателя. Возможно также загрузить в скважину смесь 19 после того, как скважинный нагреватель опущен в скважину 16.

Температуру разогрева нагревателя устанавливают путем введения в состав топливного элемента 2 того или иного количества инертной добавки в зависимости от результатов исследования эксплуатационных условий скважины 16 (от наличия и объема асфальтосмолистых или парафино-гидратных отложений, типа вмещающих пород, обводненности скважины и т.п.) и от состава загружаемой смеси 19. Интервал температур, необходимых для розжига смеси 19, находится в пределах 1000-1700°С.

После расчетного времени срабатывания осуществляют подъем кабеля (троса) или гибкой трубы, а реакция в скважине продолжается самостоятельно.

В результате термогазохимической обработки прискважинной зоны смесью 19 асфальтосмолистые отложения переводятся в текучее состояние и удаляются, в породах прискважинной зоны развиваются дополнительные микротрещины, увеличивается пористость пород, что приводит к восстановлению гидродинамической связи скважины 16 с пластом 18 и увеличению интенсивности притока флюида в скважину.

Таким образом, использование предлагаемого скважинного нагревателя позволяет расширить область применения устройства за счет возможности осуществления термогазохимической обработки скважин сложного профиля, а также повысить надежность его работы за счет повышения прочности устройства путем учета давления в скважине на глубине обрабатываемого нефтесодержащего интервала.

Кроме того, при вероятности заводнения интервала обработки, термитный или пиротехнический состав топливного элемента может быть подобран таким образом, чтобы обеспечить максимальную температуру термогазохимической реакции, что приводит к повышению эффективности проводимых работ.