Материал: Горюче-окислительные составы для обработки нефтяных скважин Методические указания

дебитов скважин при его использовании не высоки. Это связано с более низкими энергетическими параметрами и меньшей глубиной воздействия на призабойную зону по сравнению с ее обработкой пороховыми генераторами. Поэтому в последние годы значительное внимание уделяется разработке ГОС.

2. Горюче-окислительные составы

ГОС включают в себя минеральный окислитель, органическое горючее и общий растворитель и представляют собой нетоксичные маловязкие жидкости на водной основе, пожаро- и взрывобезопасные на поверхности, способные к горению при определенном давлении в скважине при инициировании от специальных воспламенительных устройств. Широко применяемые на практике способы обработки призабойной зоны жидким ГОС включают две основные операции – закачку ГОС с устья в забой скважины через насосно-компрессорные трубы (НКТ) и доставку геофизическим кабелем в зону обработки инициатора горения ГОС.

По сравнению с твердыми топливами жидкие энергоносители ГОС обладают тремя важнейшими преимуществами, а именно, возможностью:

-обработки сплошного и достаточно протяженного интервала скважины и, как следствие, получения существенно более продолжительного импульса давления;

-оперативного регулирования соотношений между компонентами ГОС перед закачкой в скважину и величины максимального давления в зоне обработки;

-получения непосредственно на месте применения реакционноспособных высокоэнергетических композиций из компонентов, которые в обычных условиях являются взрыво- и пожаробезопасными.

В зоне горения горюче-окислительного состава температура поднимается до 1000 0С и более, а избыточное давление составляет 40-60 МПа, если существует достаточная связь скважины с пластом (например, через перфорационные каналы). При отсутствии этой связи избыточное давление может составить 90-100 МПа, что приводит к необратимым деформациям и разрушению колонны и цементного камня. [9]

6

Продолжительность положительной фазы импульса создаваемого давления для разработанных составов составляет 5- 10 с, в зависимости от термобарических условий в скважине и количества ГОС. Продукты горения, как и при использовании твердотопливных генераторов давления, оказывают комплексное механическое, тепловое и физико-химическое воздействие на скважину и пласт.

Механическое воздействие способствует образованию в прискважинной зоне пласта одной или нескольких трещин и разрушению водонефтяных барьеров. Кроме того, под воздействием протекающих низкочастотных колебаний давления с амплитудой до 5-10 МПа происходит очистка прискважинной зоны от песчано-глинистых частиц. Для типичных коллекторов нефти и газа протяженность образовавшихся трещин составляет 25-30 м с остаточным раскрытием 2-4 мм.

твердотопливных газогенерирующих устройств (ПГД) не превышает половины сечения. В результате температура пороховых газов на выходе из перфорационных отверстий составляет 500-700 0С, т. е. в 1,5-2 раза ниже температуры продуктов горения ГОС.

3. Характеристика ГОС

Жидкие ГОС на основе окислителя и горючего должны отвечать следующим требованиям:

-плотность - в пределах 1250-1400 кг/м3;

-малая зависимость скорости горения от давления в скважинных условиях (при Р = 19,6 - 40,0 МПа - 1-5 мм/с);

-значительный объем газообразных продуктов (0,75-0,80 м3/кг);

-высокая безопасность при эксплуатации;

-дешевизна и доступность.

-экологическая безопасность. [10]

Многие применяемые составы имеют некоторые недостатки. Основным недостатком вязких ГОС (с плотностью выше 1400

кг/м3) являются следующие: для закачки в скважину требуется

7

высоконапорное заправочное оборудование; не обеспечивается должная пожаро- и взрывобезопасность работ из-за саморазогрева вязких жидкостей при продавливании через узкие каналы и щели.

Маловязкий состав типа аммиачная селитра + вода + перекись водорода специально заправочного оборудования не требует, однако весьма опасен в пожарном отношении, поскольку термораспад перекиси водорода, в особенности в присутствии окислов железа, происходит самопроизвольно.

От перечисленных недостатков свободен состав, содержащий:

Этот состав является гомогенным раствором, то есть не требует специального заправочного оборудования для закачки в скважину и полностью пожаро- и взрывобезопасный, поскольку наличие воды порядка 30-40% исключает возможность как самопроизвольного воспламенения, так и самораспространения пламени от любого, даже самого мощного источника поджига при внешних начальных давлениях ниже 12-14 МПа.

Известен состав, содержащий следующие компоненты при их

Все компоненты в этом составе доступны, имеют широкую сырьевую базу, выпускаются промышленностью. Он отличается тем, что содержащаяся в составе фенольная резольная смола повышает эффективность обработки пласта за счет увеличения глубины прогрева пласта. Преимуществами состава также являются низкая скорость горения, обеспечивающая более длительное воздействие температурного фактора и газообразных продуктов на пласт, более высокая безопасность при атмосферном давлении.

Главным по существу единственным недостатком двух выше описанных составов является их токсичность, поскольку один из их компонентов – фенол, фенольная резольная смола относятся к группе кожно-нарывных ядов. В силу этого осложнена технология работ при изготовлении состава на месте его применения, при закачке состава в скважину и при выполнении заключительных операций. Кроме того, не исключена опасность заражения местности и глубинных пластов фенолом, в особенности, в аварийных ситуациях.

8

Разработанные на кафедре ТТХВ горюче-окислительные составы в наибольшей степени удовлетворяют указанным выше требованиям. В этих составах в качестве окислителя используется аммиачная селитра (АС) марки Б ГОСТ 2-2013, которая широко используется в сельском хозяйстве и имеет широкую сырьевую базу. Данные составы имеют удовлетворительные энергетические характеристики на уровне 3000 кДж/кг, обладают малой скоростью горения и зависимостью ее от давления, не воспламеняется при атмосферном давлении.

Вкачестве горючего используется этиленгликоль (ЭГ), который сам является жидким компонентом, неограниченно растворяется в воде и широко выпускается промышленностью.

Для обеспечения необходимого уровня воспламеняемости ГОС на основе аммиачной селитры используется добавка бихромата калия (БК), которая так же является эффективным стабилизатором горения АС. Кроме того, БК может являться структурообразующим компонентом способным перевести раствор из жидкого состояния в эластичное (желатинизированное).

Вкачестве стабилизирующей добавки используется полиакриламид (ПАА), который также является загустителем ГОС. Введение добавки ПАА в количестве 0,5% позволяет повысить содержание аммиачной селитры до 65-67 %, что благоприятно сказываться на энергетические и реологические характеристики ГОС. Также в состав вводится нитрат натрия, позволяющий повысить растворимость АС. Характеристики компонентов ГОС приведены в приложении А.

Впроцессе горения ГОСы претерпевают многостадийное химическое превращение, включающее тепловое разложение окислителя и горючего, с последующим экзотермическим взаимодействием продуктов разложения. Интенсивное разложение нитрата аммония начинается при температуре 290-300 °С. Аналогичный параметр для глицерина и этиленгликоля, применяемых

вкачестве органического горючего составляет – 220-230 °С, а для карбамида 270-280°С. Сравнительно высокие температуры начала интенсивного разложения накладывает условия по минимальному давлению в реакционном объеме не 12-14 МПа. Вторым условием протекания химической реакции является обеспечение энергетического баланса. Для возбуждения реакции необходим мощный воспламенитель, способный прогреть воду до температуры

9

кипения и инициирования реакций теплового разложения компонентов [8].

4. Технология обработки нефтяного пласта

Применение ГОС при проведении обработок нефтяных скважин позволяют осуществить газодинамический разрыв с регулируемым временем и амплитудой импульса давления.

Для разовой обработки скважины ГОС обычно применяется 500-1500 кг состава с теплотворной способностью на уровне 13001600 кДж/кг и температурой во фронте горения 1100-1300 °С. Ограничениями для применения технологии являются: максимальная температура - 180 °С, минимальное забойное давление – 10 МПа.

Закачка растворов в пласт осуществляется через насоснокомпрессорные трубы. С последующем воспламенением от твердотопливных воспламенителей. Инициирование ГОС осуществляется исключительно при повышенных давлениях (не менее 10 МПа). Воспламенителем служит пороховой генератор давления, компонуемый по специальной схеме и спускаемый в зону обработке на геофизическом кабель-тросе. Количество доставляемых в интервал обработки ГОС рассчитывается исходя из геологических характеристик пласта, структурой скважины и, как правило, составляет 700-1000 л. [9]

Обработка скважин с использованием ГОС осуществляется в 3

этапа:

На первом этапе осуществляется разрыв пласта импульсом высокого давления газообразных продуктов горения ГОС с созданием сети технологических трещин;

На втором этапе осуществляется воздействие на породу призабойной зоны высоконагретыми газами и циклическими колебаниями столба скважинной жидкости, которые развиваются после сгорания энергонасыщенных материалов ГОС и порохового генератора. Синергетическое тепловое и переменное динамическое воздействие очищает образованные трещины и перфорационные каналы от асфальтно-смолистых парафиновых загрязнений, взвешенных частиц породы, продуктов химического превращения. Длительность высокоимпульсного воздействия газообразных продуктов составляет не менее 10 с.

10