CC BY
71
© В.Д. Барсуков, С.В. Голдаев, Н.П. Минькова, С.Л. Миньков, 2011
УДК 622.32
B.Д. Барсуков, С.В. Голдаев, Н.П. Минькова,
C.Л. Миньков
К ВОПРОСУ БЕЗОПАСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ В НЕФТЯНЫХ СКВАЖИНАХ
Рассмотрена возможность и определены условия зажигания твердого топлива нагретой жидкостью с целью определения безопасного использования твердотопливных газогенераторов в нефтяной скважине. Описана установку и приведены результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: термогазохимическое воздействие на пласт, твердотопливный газогенератор, зажигание твердого топлива, нагретая жидкость, самовоспламенение.
~П нефтедобывающей промышленности используют способ М.М повышения дебита скважин путем теплового и силового воздействия на продуктивный пласт пороховыми газами. Термогазохимическое воздействие на призабойную зону пласта (ТГХВ) заключается в сжигание на забое скважины порохового заряда, спускаемого на кабеле [1, 2]. При сгорании порохового заряда создается импульс высокого давления, что приводит к образованию в пласте сети несмыкающихся глубоких трещин. Кроме того, за счет высокой температуры, возникающей при горении порохового заряда, разжижаются вязкие фракции нефти - парафины, а окись углерода, двуокись азота и хлористый водород, содержащийся в продуктах сгорания твердого топлива вступают в химические реакции с породой, увеличивая раскрываемость трещин. Для проведения ТГХВ на пласт применяются твердотопливные газогенераторы различной модификации: аккумулятор давления скважинный (АДС), бескор-пусной генератор давления (ПГДБК) и другие конструкции газогенераторов [3]. Зажигание порохового заряда или твердого топлива осуществляется за счет стационарного или автономного источника тока. Однако, на больших глубинах, где температура скважинной жидкости может достигать 600 К, возможно самовоспламенение топливной шашки.
Целью настоящей работы является обоснование возможности и определение условий зажигания унитарного (т.е. способного гореть без доступа воздуха) твердого топлива нагретой жидкостью.
Очевидно, для надежного зажигания топлива необходимо сформировать прогретый слой, соответствующий стационарному горению. Тогда, при сохранении теплофизических условий, зажигание с необходимостью переходит в горение. Теоретически уровень надежности зажигания должен определяться степенью близости созданного запаса и распределения избыточной теплоты, аналогичных характеристикам прогретого слоя при стационарном горении. При недостатке запаса теплоты она должна быть сосредоточена в более узкой зоне. При избытке, наоборот, распределение должно быть "растянутым". В последнем случае горение в начальный период идет с более высокой скоростью за счет локального повышения начальной температуры. Это может оказаться полезным в тех случаях, когда в реальных условиях необходимо не только обеспечить движение волны горения, но и подготовить прогревом близлежащую окрестность топлива среды к стационарному процессу. При этом для обеспечения независимости скорости горения от присутствия воды необходима определенная газовая прослойка между горящим топливом и водной средой [4]. В водной среде, при давлениях ниже критического, газовая прослойка может быть обеспечена за счет испарения воды одновременно с прогревом топлива [5]. При давлениях выше критического, которые характерны для скважин на большой глубине, паровая прослойка образоваться не может. Но с другой стороны, по этой же причине снимается ограничение на верхний предел температуры нагрева воды. Поэтому зажигание может быть осуществлено непосредственно нагретой водой.
Если же температура жидкости хотя и незначительно, но меньше температуры поверхности горящего топлива, то воспламенение может произойти внутри топлива. В этом случае возможности оттока продуктов горения отсутствуют, и процесс будет развиваться по законам теплового взрыва. Для реализации этих условий были проведены специальные эксперименты.
Использовалась установка (рис. 1), представляющая теплоизолированную камеру для измерения скорости горения топлива. Установка имеет корпус 1 в виде толстостенного цилиндра с полостью 2. В верхней части корпуса 1 вставляется пробка 3 с гнездами 126
для образца 4, вкладыша 5, выпускного клапана 6 и запальной кнопкой 7 для включения нагревательного элемента 8. Вкладыш 5 выполнен в виде стального цилиндра с четырьмя отверстиями малого диаметра и служит для крепления образца и прохода газа после сгорания образца. Вкладыш 6 служит для сброса давления в установке после окончания опыта. Г ерметизация осуществляется посред-
Рис. 1. Схема установки для исследования ством прижимной гайки термостойкости образца 9 и прокладок 10. На бо-
ковой наружной поверхности корпуса 1 выполнены гнезда для датчика давления и для термопары. Для измерения температуры была изготовлена дифференциальная термопара из хромель - копеля диаметром 0,1 мм, один конец которой заделан герметично и вставлялся в установку, а другой находился при постоянной температуре. Погрешность измерения температуры составляла ±7 %.
Регистрация давления осуществлялась тензометрическими датчиками ЛХ-412 и осциллографом Н-117 в комплексе с тензо-усилителем ТА-5. Погрешность измерения давления находилась в пределах ±2,5 %.
Исследовались условия, при которых образец твердого топлива воспламенится горячей водой или паром. Перед началом эксперимента в установку (полость 2) заливалась вода. Соответствующее увеличение давления моделировалось лишь частично за счет повышения давления паровой прослойки. В течение часа установка прогревалась до 363 К.
Ртах
— —2
т *
* Тт а к
Рис. 2. Осциллограмма давление-температура
Корпус 1 предварительно теплоизолировался. Затем размещался образец 4, нагревательный элемент соединялся с запальной пробкой 7, и установка герметично перекрывалась. Образец был изготовлен из баллиститного топлива, диаметр - 22 мм, длина - 5 мм. На нагревательный элемент подавалось напряжение 220 В, ток при включении равнялся 13 А. Воспламенение образца осуществлялось горячей водой и паром. В первом случае образец опускался в воду, во втором - образец крепился в специальном гнезде в пробке 3. Темп нагрева непосредственно перед воспламенением соответствовал скорости спуска газогенератора приблизительно 3 м/с. С момента погружения в установку до воспламенения образец находился в ней 19 минут. Время от момента включения нагревателя до зажигания образца определялось резким скачком давления и температуры на осциллограмме. Типичная осциллограмма приведена на рис. 2.
Кривая 1 - давление, создаваемое в установке, кривая 2 - температура. В результате проведенных экспериментов установлено, что для данного состава баллиститного топлива температура воспламенения образца (как горячей водой, так и паром) равнялось 447-453 К, при этом давление устанавливалось в пределах 0,7-0,9 МПа. Считая полученный разброс результатом погрешности только воспроизводимости процесса, можно получить надёжную оценку температуры зажигания. Она составляет (177+15 0С при давлении (0,8+0,12) МПа.
Следует заметить, что для давления насыщающего пара в 0,8 МПа соответствующая табличная температура составляет 170 0С.
Можно сделать предположение, что безопасное использование твердотопливных газогенераторов, выполненных из исследуемого состава баллиститного топлива возможно на глубине не более 4000 метров.
В качестве обсуждения полученных результатов следует высказать соображения по поводу понятий, характеризующих процесс. Как известно, отличие самовоспламенения от зажигания заключается в том, что в первом случае самоускоряющиеся реакции начинаются в глубине топлива, а во втором - на поверхности или в приповерхностном слое [6]. Представляется, что в описанных условиях имело место именно зажигание, а не тепловой взрыв.
Действительно, выдержка образца в течение 10 минут при температуре 373 К не могла создать условия для самовоспламенения ввиду достаточной термостойкости баллиститного топлива. А последующее непрерывное нагревание температуры внешней среды (воды) приводило к формированию профиля температуры аналогичного растянутому михельсоновскому. Следовательно, самоускоряющиеся экзотермические реакции начинались в непосредственной близости к поверхности. В дальнейшем движение фронта горения соответствует скорости горения при повышенной локальной начальной температуре (подобно нестационарному горению при увеличение давления). Описанное явление можно охарактеризовать как зажигание топлива с предварительным прогревом испытуемого образца.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прострелочные и взрывные работы в скважинах /Н.Г. Григорян, Д.Е. Пометун, Л.А. Горбенко, С.А. Ловля. /2-е изд. - М.: Недра, 1980. 264 с.
2. Термогазохимическое воздействие на малодебитные и осложненные скважины / Г.А. Чазов, В.И. Азаматов, В.В. Якимов - М. Недра, 1986. 150 с.
3. Технология и техника добычи нефти/Щуров В.И. /3-е изд. М.: ООО «Издательский дом Альянс», 2009. 510 с.
4. О горении унитарных твердых топлив в жидкой среде /В.Д. Барсуков, С.В. Голдаев, Н.П. Минькова //Изв. вузов. Физика, 1993. Т.6. №4. С. 110-118.
5. Барсуков В.Д., Голдаев С.В., Минькова Н.П. Анализ возможности зажигания унитарного твердого топлива в водной среде плоской спиралью накаливания умеренной мощности. /В кн.: Фундаментальные и прикладные проблемы совре-
менной механики: Доклады конференции. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. - С. 23-24.
6. Миньков С.Л., Минькова Н.П. Численное моделирование температурного поля твердотопливного газогенератора в скважинных условиях /В кн.: Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Доклады конференции. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. - С. 78-79. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Барсуков В.Д. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ГНУ «НИИ прикладной математики и механики при ГОУВПО Томский государственный университет»,
Голдаев С.В. - доктор физико-математических наук, профессор, ГОУВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»,
Минькова Н.П. - кандидат технических наук, доцент,
Миньков С.Л. - кандидат физико-математических наук,
ГОУВПО Томский государственный университет, e-mail: smin@asu.tusur.ru
