Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пиротехнические составы и средства для интенсификации нефтедобычи. Монография
.pdf
скважины.
Химическое воздействие. Еще одним фактором процесса ТГХВ
является химическое воздействие газообразных продуктов горения,
состоящих из углекислого газа, хлористого водорода и некоторых
других газов. Проникая в поры пород, хлористый водород, при
наличии воды, образует соляную кислоту, концентрация которой
может достигать 1-5%. При сжигании даже небольшого количества
ЭНМ выделяется количество хлористого водорода достаточное, чтобы
образовать 100-150 л 5%-ной соляной кислоты, которая растворяет
стенки трещины, увеличивая их остаточную раскрываемость.
Углекислый газ, образующийся при горении и реакции соляной
кислоты с породой, создает благоприятные условия для притока
жидкости из пласта – растворяющийся в нефти углекислый газ
снижает ее вязкость, поверхностное натяжение на границе нефть-вода,
увеличивает подвижность. Все это улучшает проницаемость ПЗП.
При действии термогазогенератора в скважине происходит
химическое воздействие агрессивной газовой фазы продуктов горения
на скелет породы и пластовую жидкость. Для усиления действия
химического фактора, например в карбонатных коллекторах,
целесообразно и эффективно сжигать термогазогенераторы в среде
кислоты, например соляной, предварительно закачанной в скважину.
Этот способ приводит к многократному увеличению
производительности скважин.
Таким образом, при определенных сочетаниях сжигаемого
продукта, параметров пласта и скважины могут быть созданы условия
для эффективного воздействия всех трех факторов, возникающих
одновременно при горении: температуры, давления и химической
реакции.
В табл. 3.1 показаны основные физико-химические процессы,
происходящие при ТГХВ. Интервал времени, начиная с момента
воспламенения состава термогазогенератора, разбит на периоды,
отличающиеся характерными процессами и скоростями их
протекания.
41
Таблица 3.1
Инициир
ова-
– Распростран
Горение с
о
става
–
Начальный
Сжатие
Тепловой
Горение с
о
става
–
Основные физико-химические процессы при ТГХВ
Характеристика
периода
Периоды
ние
0
период горения
состава
термогазогенер
атора.
Формирование
газового
пузыря в
скважине.
Вытеснение
скважинной
жидкости в
1
пласт в обрабатываемом
интервале
механичес-
кий
столба
скважинной
жидкости
Процессы
теплообмен-
ный
ение
пламени и
вскипание
скважинной
жидкости
вдоль
поверхности
термогазоген
ератора
удар в
скважине
массообменный
термогазогенера
тора
термогазогенера
тора,
фильтрация в
пласт
скважинной
жидкости в
обрабатываемо
м интервале
Факторы,
влияющие
на
изменение
производительности
скважин
после
обработки
42
Характеристик
Основной пе
-
Гидравлич
е
с
Продукты
пласта
Горение
Резкое
Период "п
ос-
Умен
ь
шение
То же
То ж
е (кр
о
ме
То же
4 Период
Затухающие
Пласт
–
Фильтрация
Стабилиз
а
ция
а периода
Периоды
2
риод горения
состава термогазогенератора
3
ледействия"
обработки
Механичес-
кий
кий удар: в
скважине, в
призабойной
зоне.
Ускоренный
подъем
столба скважинной жидкости.
Образование
и расширение трещин
в призабойной зоне
забойного
давления
Процессы
Теплообмен-
ный
сгорания –
колоннацементное
кольцопласт.
Продукты
сгорания –
скважинная
жидкость –
колонна.
При
фильтрации:
продукты
сгорания –
пластовый
флюид –
скелет
Окончание таблицы 3.1
Факторы,
влияющие на
изменение
Массообмен-
ный
состава
термогазогене
ратора.
Фильтрация
продуктов
сгорания в
пласт в обрабатываемом
интервале.
Вытеснение
скважинной
жидкости в
пласт и другие
интервалы
горения
изделий АДС)
производительности
скважин после обработки
увеличение
проницаемост
и
призабойной
зоны.
Растворение
асфальтосмолистых
веществ.
Растворение
карбонатов
образующимс
я при горении с раствором соляной кислоты
релаксации
(восстановление давления)
ударные
волны в
пласте и в
скважине.
Всплытие и
дробление
газового пузыря.
Частичное
смыкание
трещин
кровля –
подошва
43
газожидкостно
й системы из
призабойной
зоны в
скважину
проницаемости призабойной зоны.
Вынос из
призабойной
зоны в скважину расплавленных
смолистых
веществ и
продуктов
4 ТЕРМОГАЗОХИМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРОДУКТОВ
ГОРЕНИЯ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ПРИЗАБОЙНУЮ ЗОНУ ПЛАСТА
4.1 Специфика горения гетерогенных конденсированных систем
в жидких средах
Литературные данные, касающиеся закономерностей процесса
горения энергонасыщенных материалов в жидкости нефтяных
скважин, не систематизированы или, в частности для
пиротехнических составов, отсутствуют. В данной монографии
приведены схемы реакций взаимодействия металлов, как компонентов
пиротехнических составов с водой, являющейся составной частью
скважинной жидкости.
В состав воды входит 88,4 % кислорода, который при
определенных условиях может выступать как самостоятельный
окислительный агент. При этих условиях воду можно рассматривать
как хороший окислитель. Так в работах А. А. Шидловского и др.
изучались закономерности горения составов, содержащих воду, как в
свободном, так и в желатинизированном виде.
Общеизвестно, что вода представляет собой весьма прочное
химическое соединение: теплота образования воды жидкой равна
285,6 кДж/г⋅моль, воды парообразной 241,0 кДж/г⋅моль. Известно
также, что экзотермические реакции воды с активными (щелочными
или щелочноземельными) металлами легко протекают уже при
комнатной температуре. Ранее было установлено, что в условиях
высокой температуры и давления реакции взаимодействия воды с
такими металлами, как магний или алюминий, могут протекать также
в форме горения или взрыва. Вода при этом выполняет роль
окислителя – приемщика электронов.
2me
nMe + mH2O = MenOm + mH2
Окислительные свойства воды могут проявляться и в других
реакциях: при взаимодействии ее с неметаллами, обладающими
заметно выраженными восстановительными свойствами, а также с
оксидами некоторых металлов, которые могут, например, являться
продуктами горения энергонасыщенных материалов. Высоким
44
экзотермическим эффектом сопровождаются реакции взаимодействия
воды с бором и кремнием
3H2O + 2B = B2O + 3H
2H2O + Si = SiO2 + 2H
+ 405,5 кДж,
2
+ 288,4 кДж,
2
Реакция с бором протекает лишь при температуре красного
каления, реакция с кремнием и при комнатной температуре, если в
воде присутствует некоторое количество щелочи.
Взаимодействие воды с фосфором, выражаемое уравнением:
5H2O + 2P = P2O5 + 5H
+ 75,2 кДж,
2
сопровождалось бы выделением сравнительно небольшого количества
тепла (118 ккал на кг смеси реагирующих веществ). Известно, что при
обычных условиях система (H2O + P) достаточно химически
устойчива. Однако протекание вторичной экзотермической реакции:
P2O5 +3H2O = 2H3 PO
+ 196,5 кДж,
4
дает дополнительное тепло, и в связи с этим реакционная способность
системы (H2O + P) повышается.
Взаимодействие воды с углеродом является процессом
эндотермическим:
H2O
пар
+ С
= СО + H2 - 129,6 кДж,
графит
и поэтому практически реализуется только при высоких температурах.
Также эндотермическими и поэтому более трудно осуществимыми
явились бы процессы взаимодействия воды с неметаллами: As, S, Se и
Te, например:
3H2O
+ 2As. = As
пар
2О3
+ 3H
– 66,9 кДж.
2
Расчеты показывают, что реакции окисления водой (жидкой)
низших окислов некоторых металлов могут протекать с выделением
тепла, например:
SnO + H2O
Nb2O4. + H2O
= SnO2. + H
жидк.
= Nb2O5. + H
жидк.
+ 8,4 кДж,
2
+ 29,3 кДж.
2
Возможно, что экзотермическим будет также и процесс окисления
водой оксида германия (GeO) в диоксид. Расчет здесь не может быть
45
произведен, так как в термохимических справочниках отсутствует
значение энтальпии образования для GeO.
.
Переходя к рассмотрению взаимодействия воды с низшими
окислами неметаллов, укажем прежде всего на общеизвестную
реакцию:
CO + H2O
пар.
= СO
+ H
2
2
+ 37,6 кДж.
Реакция
H2O
+ SO2 = SO3 + H
жидк
- 124,2 кДж
2
является эндотермической, как и реакция:
H2O
+ SO2 = SO3 + H
пар
- 75,2 кДж
2
Однако вторичная экзотермическая реакция
SO3 + H2O
= H2SO
пар
+ 108,7 кДж
4жидк.
приводит к тому, что взаимодействие SO2 с избытком водяного пара
является уже экзотермическим, и поэтому более легко осуществимым
процессом:
2H2O
+ SO2 = H2SO
пар
+ Н2 + 33,4 кДж
4жидк.
Тепло, выделяющееся при гидратации серной кислоты избытком
водяных паров, должно еще повысить экзотермичность этой реакции.
Вместе с тем едва ли можно надеяться получить водород в
результате взаимодействия сернистого газа с водяным паром, так как
H
будет восстанавливать избыток SO2, превращая его в серу
2
2H2 + SO2 = 2H2O
пар
+ S
+ 181,1 кДж
.
и, следовательно, суммарно реакция между водяным паром и
сернистым газом выразится уравнением
2H2O
+3SO2 = 2H2SO
пар
4жидк.
+ S
+ 246,6 кДж.
.
Следует заметить также, что водяной пар может играть роль
окислителя и по отношению к другим классам химических
соединений, например гидридам многих металлов и некоторых
неметаллов (SiH
; PH
), боридам и силицидам многих металлов и др.
4
3
Таким образом, вода, особенно при повышенной температуре,
может принимать весьма активное участие в самых разнообразных
46
химических реакциях. Возможно, что наиболее экзотермические из
вышеописанных реакций, например реакции с бором и кремнием, при
подборе соответствующих условий температуры и давления удастся
осуществить в форме процессов горения или взрыва.
5 ТЕРМОГАЗОГЕНЕРАТОРЫ И УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРИЗАБОЙНУЮ ЗОНУ СКВАЖИНЫ
5.1 Технология проведения ТГХВ
Термогазохимическое воздействие на призабойную зону пласта
практически осуществляют с помощью имеющегося
нефтепромыслового и геофизического оборудования.
Технологическая схема проведения ТГХВ с целью воздействия на
ПЗП в добывающих и нагнетательных скважинах
термогазогенераторами (рис. 5.1) заключается в следующем. В
скважину на геофизическом кабеле 2 в интервал продуктивного
пласта 3 опускают термогазогенератор 1 и устанавливают его на забое
скважины. Воспламенение состава термогазогенератора
осуществляется подачей электрического напряжения на спираль
накаливания. Продукты горения состава создают избыточное
давление, в результате чего образуется газовый пузырь, который
способствует вытеснению жидкости в пласт, а также фильтрации
газообразных продуктов в поровое пространство продуктивного
пласта скважины. Идеализированная схема работы
термогазогенератора при работе в скважине приведена на рис. 5.2.
После обработки геофизический кабель извлекают, в скважину
устанавливают эксплуатационное оборудование и пускают его в
работу. В данной схеме не исключается действие и химического
фактора.
Комплекс используемого оборудования является стандартным и
применяется на основании разрешения и лицензий, выданных
соответствующими органами в установленном порядке, действующем
на всей территории РФ.
47
Рис. 5.1. Схема спуска термогазогенератора в скважину:
1 – термогазогенератор; 2 – геофизический кабель; 3 – продуктивный
пласт
Рис. 5.2. Идеализированная схема работы термогазогенератора
в нефтяной скважине:
1 – столб скважинной жидкости над термогазогенератором; 2 –
продукты сгорания и термогазогенератор; 3 – верхние горизонты; 4 –
обсадная колонна; 5 – цементное кольцо; 6 – область в продуктивном
пласте, заполненная жидкостью; 7 – область в продуктивном пласте,
заполненная газообразными продуктами; 8 – подстилающие пласты;
9 – жидкость зумпфа (зона скважины, расположенная ниже области
продуктивного пласта)
48
5.2 Термогазогенераторы и устройства для обработки нефтяных
скважин
Термогазогенераторы. В настоящее время разработаны
следующие типы термогазогенераторов: корпусные и бескорпусные;
работающие самостоятельно или в составе устройств. Корпусные
изделия в основном своем составе имеют те газогенераторы, состав
которых нужно защищать от взаимодействия со скважинной
жидкостью, либо для реализации отдельного конструктивного
решения.
Для реализации ТГХВ разработаны разнообразные типы
термогазогенераторов. Был разработан корпусный генератор АСГ-105,
в котором пороховые заряды размещены в стальных соединенных
между собой корпусах, изолирующих заряды от окружающей среды
(скважинной жидкости) и служащих камерами сгорания. Истечение
пороховых газов в окружающую среду происходит через сопла с
коническим раструбом. В корпусном пороховом генераторе давления
АСГ-105 заряд состоит из нескольких пороховых шашек
высококалорийного состава. Воспламеняется основной пороховой
заряд посредством воспламенителя, изготовленного из
нитроглицеринового пороха, снабженного электрозапалом с навеской
дымного пороха.
К нижней части аппарата АСГ-105 может быть присоединен
корпусный кумулятивный перфоратор, с помощью которого в момент
перед разрывом пласта простреливаются отверстия в обсадной колонне,
соединяющие пласт с внутренней частью обсадной колонны. Масса
порохового заряда, размещенного в одной камере сгорания аппарата
АСГ-105, составляет около 3,5 кг. В зависимости от глубины скважины
максимальная масса порохового заряда может достигать 104 кг.
Были разработаны также бескорпусные пороховые генераторы
(аккумуляторы) давления для скважин. При их использовании
существенно увеличивается масса заряда и соответственно
увеличивается общая энергия, воздействующая на пласт. Например,
бескорпусный пороховой генератор давления ПГД БК состоит из
нескольких соединенных между собой цилиндрических пороховых
зарядов, имеющих центральное отверстие. Каждый из зарядов
изолирован от внешней среды тонкой неметаллической оболочкой.
Заряд помещается на внутреннюю опорную стальную трубу. Заряды
соединены между собой с помощью штуцеров. Поджигание
49
происходит при помощи пиропатрона, расположенного в головке под
кабельным наконечником, и воспламенителей из пиротехнического
состава, помещенных внутри опорных труб.
Пороховые аккумуляторы давления АДС в отличие от ПГД БК
имеют более еще простую конструкцию и способ воспламенения.
Пороховые шашки удерживаются в гирлянде с помощью кабельной
подвески, а воспламенение осуществляется с помощью спирали
накаливания, находящейся внутри пороховой шашки. Кольцевой паз
со спиралью накаливания в воспламенительных элементах АДС
заполняется специальным герметиком и мастиками. Поддон, обоймы,
втулки и крышка с зажимом предохраняют сгорающие и
воспламенительные элементы от ударов и смещения при спускоподъемных операциях в скважине.
В зависимости от назначения изделия отличаются
геометрическими размерами, величиной поверхности горения и
термостойкостью пороха. На рис. 5.3 и в табл. 5.1 приведены схема устройства и технические характеристики термогазогенератора АДС-5.
Рис. 5.3. Аккумулятор давления для скважин АДС-5:
1 – сгорающий элемент; 2 –- нагревательный элемент;
3 –
воспламенитель; 4 – скоба; 5 – канат; 6 - узел крепления;
7 – крышка, 8 – втулки; 9 – поддон; 10 – обойма
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]