Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пиротехнические составы и средства для интенсификации нефтедобычи. Монография
.pdf
эффективности метода воздействия. Вследствие этого необходимо
производить комплексную оценку составов с учетом всех достоинств
и недостатков по вышеперечисленным показателям, поскольку они не
являются взаимоисключающими.
Режим горения составов непосредственно связан с эффектом
воздействия, поэтому высокие энергетические характеристики
составов будут реализовываться в определенных условиях. Таким
образом, необходимо учитывать не только уровень
термодинамических характеристик состава, но и условия процесса
горения, а также требуемую интенсивность воздействия. Природа
рекомендуемого высокоэнергетического состава должна определяться
скважинными условиями и предполагаемым механизмом
интенсификации нефтедобычи.
Учитывая, что при реализации ТГХВ должно осуществляться
комплексное воздействие на ПЗП, к составам термогазогенераторов
предъявляются следующие специальные требования: состав должен
выделять большое количество тепла с единицы массы; при горении
состава должно образовываться большое количество газообразных
продуктов; горение составов должно сопровождаться высокой
скоростью газообразования; при горении состава должны
образовываться высокоактивные продукты, способные
взаимодействовать со скважинной жидкостью и породой ПЗП. Для
конкретных методов и целей обработки ПЗП специальные требования
могут быть дополнены и уточнены.
Составы для тепловой обработки ПЗП, кроме требования по
выделению большого количества тепла с единицы массы состава,
должны гореть в условиях скважины с низкой скоростью, слабо
зависящей от внешнего давления. В этом случае возможно длительное
тепловое воздействие на призабойную зону с целью предотвращения
образования парафина и смолистых отложений в поровом
пространстве пласта и на стенках колонны, а также для снижения
вязкости нефти. Указанные специальные требования могут быть
реализованы при использовании, например, термитов и составов,
использующих в качестве окислителя соли угольной кислоты. При
горении этих составов образуются в основном конденсированные
продукты. Основными компонентами являются высокотеплотворные
металлы (магний, алюминий, сплавы алюминия с магнием), оксиды
(железа, марганца, хрома), карбонат кальция.
Составы для термохимической обработки, кроме требований по
61
количеству выделяемого тепла, должны удовлетворять требованиям
по образованию химически активных продуктов, таких как соляная и
плавиковая кислоты. Термохимическая обработка предназначена для
очистки забоев (фильтров), призабойной зоны, стенок колонны от
солевых, парафинисто-смолистых отложений и продуктов коррозии.
При взаимодействии соляной кислоты и карбонатных пород
происходят следующие реакции:
для известняков – CaCO
+ 2HCl = CaCl2 + H2O + CO
3
,
2
для доломитов – CaMg(CO
+ 4HCl = CaCl2 + MgCl2 + 2H2O + 2CO2.
3)2
Соляная кислота, взаимодействуя с глинами, образует соли
алюминия, а с цементом и песчаником – гель кремниевой кислоты,
выпадающий в осадок. Для удержания во взвешенном состоянии солей
алюминия и геля кремниевой кислоты используют стабилизаторы,
например плавиковую (фтористоводородную) кислоту. Составы с
требованиями по образованию HCl и HF должны включать реагенты,
содержащие хлор и фтор. Например, это составы, использующие в
качестве окислителя хлораты, перхлораты и галогенсодержащие
полимеры.
Составы, применяемые для обработки ПЗП с целью расширения и
углубления естественных и образования новых трещин в породах
призабойной зоны, должны обладать способностью создавать высокое
давление в скважине за малый промежуток времени (аналогично
методу гидравлического разрыва пласта). Создаваемое давление
должно превышать гидростатическое не менее чем в 1,5-2,5 раза. При
таких условиях происходит разрыв или расслоение пласта, т.е.
расширяются естественные и образуются новые трещины. Для
сохранения трещин в раскрытом состоянии они должны быть
заполнены твердыми продуктами. Разрыв пласта применяют для
обработки нефтяных (газовых) и нагнетательных скважин. Составы
для разрыва пласта должны выделять большое количество
газообразных продуктов с высокой скоростью их образования. В
отдельных случаях к таким составам предъявляются требования по
наличию в продуктах сгорания твердых веществ. Этим требованиям
удовлетворяют составы на основе порохов (нитроцеллюлозные,
дымные), составы смесевых твердых топлив, а также
металлсодержащие составы. Для двух последних в качестве
62
компонентов используются как окислители перхлораты и нитраты
(например, перхлорат и нитрат аммония, нитрат натрия), в качестве
горючих каучуки (например, бутилкаучук), эпоксидные смолы
(например, ЭД-20) и высокотеплотворные металлы (например,
магний).
Для обработки нагнетательных и обводненных добывающих
скважин применяются составы, использующие в качестве
дополнительного окислительного агента скважинную жидкость. Это
позволяет повысить количество выделяемого тепла с единицы массы
состава термогазогенератора, а также объем газообразных продуктов
за счет образующегося пара и газов. Как было сказано выше, 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:
nMe + mH2O = MenOm + mH2 + Q.
В этом случае составы должны выделять большое количество
тепла и газообразных продуктов, в том числе водяного пара. Этим
требованиям удовлетворяют составы с отрицательным окислительным
балансом. В качестве окислителей используются соли кислородных
кислот щелочных и щелочноземельных металлов, горючих –
высокотеплотворные металлы.
Для повышения производительности нефтяных и приемистости
нагнетательных скважин применяется виброобработка ПЗП.
Виброобработка – процесс воздействия на ПЗП с помощью
специальных вибраторов, создающих колебания давления различной
частоты и амплитуды. Основным требованием к составам для
виброобработки является создание высокого давления газообразных
продуктов в заданной зоне ПЗП с определенной длительностью и
периодичностью. Давление газов при этом должно быть на уровне
100-150 МПа. Данное требование обеспечивается при использовании
пиротехнических генераторов азота. В таких составах в качестве
основного газообразующего вещества используются высокоазотные
соединения (например, азиды).
63
6.2 Составы ЭНМ для термогазогенераторов
В качестве ЭНМ могут использоваться взрывчатые вещества,
пороха, смесевые составы, пиротехнические составы.
Проводимость пласта в призабойной зоне можно повысить путем
воздействия на породы мощными ударными волнами, генерируемыми
во время взрыва на забое зарядов взрывчатых веществ (ВВ)
специального назначения. Образующаяся при этом сеть трещин в
твердых породах наряду с сопутствующими взрыву тепловыми
эффектами и физико-химическими изменениями свойств нефти под
влиянием продуктов взрыва, проникающих в поры пласта, создают
условия, способствующие улучшению притока нефти и газа в
скважины.
Мощное воздействие на пласт может быть осуществлено при
внутрипластовых взрывах жидких ВВ, а также жидких горючеокислительных смесей (ГОС). Жидкие ВВ и ГОС предварительно
вводят в пласт с последующим инициированием процесса взрыва или
горения. Специфическими требованиями, предъявляемыми к ГОС,
являются малая вязкость, достаточная для проникновения ГОС в
трещины и поры, и температура горения Тг ≥ 1300 К
Один из вариантов воздействия на пласт – воздействие
пороховыми газами, образующимися при горении пироксилиновых
или баллиститных порохов. Нагретые до высокой температуры,
химически агрессивные пороховые газы легко проникают в поры и
трещины продуктивного пласта, разрушают и удаляют из них твердые
углеводородные отложения и эмульсии. Достоинство этой технологии
– возможность регулирования эффекта воздействия на призабойную
зону пласта изменением газоприхода (время сгорания порохового
заряда может изменяться от долей секунды до десятков минут), что
позволяет прогревать пороховыми газами призабойную зону пласта
при малом газоприходе в случае близости водонефтяных контактов
или при необходимости более интенсивного воздействия – разрывать
пласт с трещинообразованием в породе.
В смесевых составах используют смеси минерального окислителя с
органическим горючим-связкой и металлическими добавками. В
качестве окислителя могут использоваться перхлорат аммония,
перхлорат калия, нитрат аммония и др. Наибольшее распространение
получил перхлорат аммония ввиду его доступности и дешевизны, а
также потому, что при разложении его образуются только газообразные
64
соединения с низкой молекулярной массой. В качестве горючего
Тип
Горение в скважинной
1 кг с
о
става, кг
Зона о
б
-
-
соте при
рании
-
темпера
-
теплота
объем
дм3/кг
нагр
е
той
С
испаря
-
БТТ
1876
4750
1215 22,7 1,93 1,5
СТТ
2516
7800
1210
37,5 3,20 2,5
ТС на
ПХА
1663
4200
1310
20,2 1,71 1,3
ТС на НА
1203
3130
1425
15,0 1,27 1,0
ВМПС
3100
13660
990 65,4 5,56 4,4
связующего вещества для смесевых составов используют
углеводородные соединения типа каучуков, смол и полимеров.
Применение в смесевых составах металлических горючих приводит к
повышению температуры горения, что повышает мощность
генераторов и стабильность горения смесевого состава. Примером
смесевой композиции может служить состав: перхлорат аммония 72%,
сополимер бутадиен каучука и акриловой кислоты (связка) 18,8%,
алюминий 9%, окись магния 0,2 %. Для повышения кислородного
баланса состава (у перхлората аммония массовое содержание
свободного кислорода составляет 34%) в качестве связующего
компонента используют нитразол, основу которого составляет
нитроцеллюлоза.
Применение термогазогенераторов на основе высокометаллизированных пиротехнических составов (ВМПС) с использованием
компонентов скважинной жидкости в качестве дополнительного
окислителя позволяет существенно повысить эффект воздействия на
пласт за счет более высоких значений теплоты сгорания, объема
образующегося пара и газов и их проникающей способности. ВМПС
превосходят традиционные смесевые и баллиститные топлива по
теплоте сгорания в 2-3 раза, а по объему парогаза в 1,5-2 раза.
Таблица 6.1.
Сравнительные характеристики различных типов составов
состава
тура горения, К
жидкости
(вода)
сгорания,
кДж/кг
газообразных
продуктов,
65
жидкости (воды)
за счет сгорания
до 100 °
емой
работки
скважин
ы по вы
сго
1 кг сос
тава, м
В таблице: БТТ – баллиститное твёрдое топливо, СТТ – смесевое
Наименование компонентов
Содержание компонентов
харак
теристик составов
Магний
45,0 50,0 75,0 78,0
Нитрат натрия
51,0 45,0 19,0 15,0
Фенолформальд
е
гидная смола
4,0 5,0 6,0 7,0
Теплота сгорания, кДж/кг
6145
6660
12700
11970
Температура гор
е
ния, К
2920
2980
3100
3050
Объём газообразных продуктов
сгор
ания, дм
/кг
630 700 1020
1060
Сила, кДж/кг
1890
2180
6010
6190
Алюминий
45,0 50,0 75,0 76,0
Нитрат натрия
51,0 45,0 19,0 17,0
Фенолформальд
е
гидная смола
4,0 5,0 6,0 7,0
Теплота сгорания, кДж/кг
6750
7530
12900
12850
Температура гор
е
ния, К
2740
2790
2950
2840
твёрдое топливо, ТС на ПХА – термосмесь на основе перхлората
аммония, ТС на НА – термосмесь на основе нитрата аммония, ВМПС
– высокометаллизированный пиротехнический состав на основе
магния.
Сравнительные расчётные характеристики при коэффициенте
избытка окислителя, равном единице, и давлении 10 МПа для
различных типов составов приведены в табл. 6.1.
Высокометаллизированные составы в условиях горения в жидкости превосходят
другие группы композиций по температуре горения и теплоте сгорания и
незначительно уступают по объёму газообразных продуктов сгорания. Номенклатура
компонентов, используемых в качестве энергетической основы в ВМПС, позволяет в
широких пределах изменять энергетические и эксплуатационные характеристики
составов применительно к геологическим и техническим параметрам скважин.
Указанные характеристики могут быть получены при
использовании смесей неорганических солей, например, нитратов
щелочных и щелочноземельных металлов с порошками
металлических горючих, например, магния, алюминия и их сплавов.
Примеры составов и их сравнительные термодинамические
характеристики представлены в таблице 6.2.
Таблица 6.2
Термодинамические характеристики составов
и характеристики составов
3
66
(% масс.) и значение
Оконча
ние таблицы 6.2
Наименование компонентов
и характеристики составов
Содержание компонентов
хара
к
теристик составов
Объём газообразных продуктов
сгор
а
ния, дм
/кг
560 660 1000
1070
Сила, кДж/кг
1940
2360
5160
5130
Алюминиево
-
магниевый сплав
45,0 50,0 75,0 76,0
Нитрат натрия
51,0 45,0 29,0 17,0
Фенолформальд
е
гидная смола
4,0 5,0 6,0 7,0
Теплота сгорания, кДж/кг
6300
7130
11400
11500
Температура гор
е
ния, К
2790
2840
2900
2820
Объём газообразных продук
тов
сгор
а
ния, дм
/кг
610 690 1090
1154
Сила, кДж/кг
1900
2290
6320
6520
3
3
(% масс.) и значение
7 ГОРЕНИЕ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В СРЕДАХ, МОДЕЛИРУЮЩИХ СКВАЖИННУЮ ЖИДКОСТЬ
На сегодняшний день для термогазогенераторов предложено
большое количество знергонасыщенных материалов различной
природы, однако в литературных источниках практически
отсутствуют данные о закономерностях их горения при сжигании в
условиях нефтяных скважин и близких к скважинным – в жидких
средах, имитирующих скважинные жидкости различного состава и
при различных давлениях. В данной монографии приводятся
результаты исследований, выполненных на кафедре ТИПКМ (ХТГС)
КНИТУ: термодинамического расчета параметров горения и
экспериментальных лабораторных испытаний пороха, модельных
безметальных и высокометаллизированных смесей окислителя с
горючим. Расчетом определялись теплота и температура горения.
Испытания проведены в манометрической установке постоянного
объема при начальном давлении 0,1 МПа в воде, нефти и трех
водонефтяных эмульсиях (с содержанием нефти 30, 50 и 70%). В ходе
эксперимента определялись линейная скорость горения (u), скорость
нарастания давления, максимальное давление газов и
газопроизводительность, рассчитанная по остаточному давлению
газов после остывания продуктов сгорания.
67
7.1 Горение пороха
Теплота, кДж /кг и
скорости нарастания давления от состава жидкой среды:
скорость горения,
нарастания
Расчетные данные и результаты исследований горения
пироксилинового пороха приведены на рис. 7.1-7.3.
700
600
500
400
300
тем пература, К
200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание нефти, %
Рис. 7.1. Зависимость расчетной теплоты и
температуры горения пороха от состава жидкой среды:
теплота горения температура горения
60
50
40
мм/с
Линейная
30
20
10
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание нефти в воде, %
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Скорость
МПа/с*г
давления,
Рис. 7.2. Зависимость линейной скорости горения и
линейная скорость горения скорость нарастания давления
68
газопроизводительности от состава жидкой среды:
12
Максимальное давление,
Газопроизводительность,
740
10
8
МПа
6
4
2
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание нефти, %
Рис. 7.3. Зависимость максимального давления и
максимальное давление газопроизводительность
730
720
710
700
690
680
Последовательная замена воды на нефть приводит к увеличению
всех экспериментальных и расчетных характеристик. Вода,
следовательно, влияет на процесс горения как теплоотводящий
компонент среды, в которой происходит сжигание. Зависимость
характеристик от свойств среды как дополнительного окисляющего
агента не наблюдается, поэтому трудно говорить об участии жидкой
среды в окислительно-востановительных процессах при горении
пороха. Однако можно говорить о влиянии на процесс горения ее
физических свойств, таких как плотность, вязкость,
теплопроводность. Известно что, плотность и вязкость среды будут
способствовать повышению давления (р) в зоне горения,
следовательно, скорость горения с увеличением вязкости среды будет
возрастать.
Еще одной из возможных причин, по которой происходит
увеличение экспериментальных характеристик, является возгонка
нефтепродуктов при горении пороха. При повышении содержания
нефти в эмульсии количество газообразных продуктов разложения
л/кг
69
нефти увеличивается. Возгонка газообразных продуктов нефти также
приводит к повышению давления в зоне горения, что и обуславливает
увеличение скорости горения, максимального давления, скорости
нарастания давления и газопроизводительности при увеличении
концентрации нефти в эмульсии. Анализ данных расчёта и
эксперимента позволяет сделать вывод об их взаимной корреляции.
По полученным в интервале давлений от 0 до 10 МПа результатам
были рассчитаны законы скорости горения, которые имеют степенной
вид: в воде – u = 0,42⋅р
нефти 50% – u = 0,34⋅р
1,02
, водонефтяной эмульсии с содержанием
1,05
и в нефти – u = 0,41⋅р
1,07
. Из этих уравнений
видно, что при горении в жидких средах скорость горения зависит от
давления.
7.2 Горение безметальных смесевых составов
В отличие от продуктов сгорания традиционных порохов
газообразные продукты, выделяющиеся при горении смесевых
составов, включающих хлор- и фторсодержащие компоненты, могут
иметь в своем составе хлористый и фтористый водород. Последние во
влажной среде превращаются в соляную и плавиковую кислоты, в
результате чего происходит растворение глинистых фракций,
увеличиваются пористость и проницаемость ПЗП. Как и пороха,
безметальные смесевые составы при горении развивают давление
газов, которое кроме очистки перфорационных отверстий скважины
может обеспечивать гидравлический разрыв пласта.
В качестве окислителя были выбраны перхлорат и нитрат калия,
так как составы на их основе обладают более низкой
чувствительностью к механическим воздействиям, чем составы на
основе перхлората аммония. В качестве горючего использовались
разные по природе органические соединения: уротропин, смола СФ342 (идитол) и полистирол. Составы на основе нитрата калия
устойчиво воспламеняются и горят в жидких средах только при
использовании идитола, его смеси с полистиролом и уротропином не
горят. Соотношение компонентов и кислородный баланс (КБ)
исследованных составов приведены в табл. 7.1. Кислородный баланс
рассчитывался исходя из горения за счет собственного окислителя.
Максимум расчетных тепловыделения и температуры горения
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]