Горюче-окислительные составы для обработки нефтяных скважин Методические указания

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ГОРЮЧЕ-ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

Методические указания

Казань Издательство КНИТУ

2018

1

УДК 622.276.3(07)

ББК 33.131я7 Г71

Печатаются по решению методической комиссии инженерного химико-технологического института

Рецензенты:

д-р хим. наук, проф. Р. З. Гильманов канд. техн. наук, доц. С. В. Михайлов

Составители:

ассист. Л. Х. Бадретдинова, доц. А. А. Мокеев, доц. А. А. Марсов

Горюче-окислительные составы для обработки нефтяных скважин : Г71 методические указания / сост. : Л. Х. Бадретдинова, А. А. Мокеев, А. А. Марсов; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. –

Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 28 с.

Представлены характеристики горюче-окислительных составов, преимущества технологии обработки нефтяного пласта с использованием горюче-окислительных составов. Рассмотрены механизмы воздействия устройств на основе энергонасыщенных материалов на призабойную зону пласта.

Предназначены для студентов очной формы обучения, изучающих дисциплину «Технологии интенсификации добычи нефти и повышение нефтеотдачи пластов», «Прострелочно-взрывные работы в скважинах», а также для студентов, обучающихся по профилю «Материаловедение и технологии материалов в технической химии».

Подготовлены на кафедре технологии твердых химических веществ.

УДК 622.276.3(07) ББК 33.131я7

2

Введение

Для повышения производительности нефтяных и газовых, а также приемистости нагнетательных скважин в мировой практике применяют разнообразные технологические приемы и технические средства. К числу наиболее распространенных эффективных технологий следует отнести гидравлический и газодинамический разрыв пласта, обработку продуктивных коллекторов кислотами, поверхностно-активными веществами, гидроакустическими, импульсными и виброколебаниями, устройствами теплового и газодинамического воздействия на пласт на основе энергонасыщенных материалов (ЭНМ). Наиболее часто в качестве ЭНМ используется пороха, твердые топлива и пиротехнические составы. В начале 70-х годов было предложено для целей высокоэнергетического воздействия на пласт применять жидкие По своим характеристикам ГОСы мало уступают пороху и твердым топливам, используемым для снаряжения пороховых генераторов и аккумуляторов давления, и имеют возможность заполнять все сечение ствола скважин и, обеспечить таким образом более высокую плотность выделяемой энергии в расчете на единицу объема скважины. Другим преимуществом ГОС является непосредственный контакт высоконагретых продуктов горения с породой продуктивного пласта, что снижает потери энергии на вытеснение скважинной жидкости из зоны обработки и ее нагрев. Также следует отметить, что для изготовления ГОС применяются недефицитные и относительно недорогие материалы.

1. Механизмы воздействия устройств на основе ЭНМ на призабойную зону пласта

Наиболее развиты технологии интенсификации нефтедобычи с применением ЭНМ в США и России. Добывающие и сервисные компании США отдают предпочтение генераторам и аккумуляторам давления на основе твердотопливных и пороховых зарядов с помощью которых выполняют технологию газодинамического разрыва пласта (ГДРП). [1-6]

Горение порохового заряда в скважине, заполненной жидкостью, сопровождается резким повышением давления и температуры. Под воздействием давления пороховых газов жидкость смещается по стволу скважины. Остальная часть газов

3

вместе со скважинной жидкостью под действием давления, равного пластовому или превышающего его, с высокой скоростью задавливается через перфорационные каналы или естественные трещины в пласт, выполняя роль клина, раздвигающего горную породу. После окончания горения порохового заряда происходит дальнейшее движение жидкости по скважине под действием сил инерции. К моменту окончания подъема жидкости давление в газовом пузыре будет меньше, чем давление столба жидкости, и он начнет движение вниз. Давление в газовом пузыре за счет сжатия газа будет увеличиваться и к моменту полного израсходования энергии столба жидкости превысит гидростатическое. Происходит пульсация газового пузыря с затухающей амплитудой колебаний. За счет пульсации пороховые газы при движении из пласта очищают трещины от асфальтносмолистых и парафиновых отложений (АСПО) и песчано-глинистых частиц. [7]

Вариантом развития метода ГДРП в СССР стал метод термогазохимического воздействия на пласта (ТГХВ). Метод ТГХВ основан на многофакторном - механическом, тепловом и физикохимическом воздействии на коллектор. Основным фактором является механический, приводящий к образованию в около скважинном пространстве системы трещин, не требующих

зависит от величины создаваемого в скважине давления, темпа его

с высокой скоростью по перфорационным каналам и трещинам. Образующиеся газы (СО, СО2, N2, Cl2) снижают вязкость и

растворении карбонатных пород, цемента и окислов железа

4

эксплуатации, характеризующиеся высокими пластовыми давлениями и низкой продуктивностью, а наилучшие результаты получаются при разрыве неоднородных пластов, когда:

горно-геологическими условиями: относительно маломощными продуктивными пластами, залегающими на разной глубине, наличием границ раздела флюидов (вода-нефть, вода-газ и др.), резкими отличиями физико-механических свойств пород одного или нескольких смежных пластов. Поэтому традиционные высокоэнергетические физические методы интенсификации добычи нефти (ГДРП и ТГХВ) не всегда эффективны (до 60% отрицательных результатов). При пороховом и газодинамическом разрыве пласта наблюдается неконтролируемое разрушение призабойной зоны, распространение трещин по границам пластов и их выход в близлежащие непродуктивные водоносные или газоносные горизонты, разрушение и отслоение затрубного цементного кольца с образованием перетоков флюидов между пластами.

Описанные методы ГДРП и ТГХВ создают в скважинах высокие темпы роста давления. В качестве альтернативы этим методам в начале 90-х годов на нефтяных месторождениях был предложан чередовании импульсов сжатия и разряжения в скважинной жидкости. В рамках данного метода используются герметичные сосуды, изготовленные из специального стекла и выдерживающие внешнее сжимающее давление до 60 МПа, которые вследствие взрыва удлиненного заряда разрушаются в зоне перфорации. Вся сборка, состоящая из заряда, гирлянды сосудов и взрывного патрона, спускалась на каротажном кабеле в зону перфорации и подрывалась. Нестационарные процессы, протекающие в области расположения устройства (ударная волна; волна разряжения, появляющаяся при коллапсе газовой полости; гидроудар, вызванный соударением столбов жидкости), способствуют очистке стенок скважины и перфорационных отверстий от отложений и расширению микро- и макротрещин. Однако, как показала практика применения метода, увеличение

5

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