CC BY
22
УДК 662.2:662.76
М. Р. Файзуллина, А. П. Евдокимов, Н. И. Торуткина, А. В. Николаева, А. А. Марсов
ОЦЕНКА ВОСПРИИМЧИВОСТИ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННОГО МАТЕРИАЛА
КОМПЛЕКСНОГО СКВАЖИННОГО ПЕРФОРАТОРА К ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОМУ ИМПУЛЬСУ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ ИНИЦИИРОВАНИЯ
Ключевые слова: энергонасыщенный материал, воспламенение, комплексная перфорация, инициирование.
В работе выполнена оценка восприимчивости энергонасыщенного материала термоисточника комплексного скважинного перфоратора к электротепловому импульсу. Установлено, что при величине тока 1А время воспламенения материала составляет 7,8 с. Предложена электрическая схема инициирования энергонасыщенного материала термоисточника в составе комплексного перфоратора, обеспечивающая надежную работу в скважинныхусловиях.
Keywords: detonation the high-power stuff, inflammation, perforation of the complex, initiation.
In work research of the susceptibility of the material energy-termoistochnika complex perforating gun to the electrothermal pulse it was performed. It was found that when the current is 1A while the ignition material is 7.8 seconds. A circuit diagram of initiating energy-thermal source material as part of an integrated punch, which provides reliable performance in downhole conditions.
Введение
Область применение энергонасыщенных материалов в различных отраслях гражданской промышленности постоянно расширяется. Это связано с относительной дешевизной и развитием тонких методов регулирования характеристик энергонасыщенных материалов. Возможность тонкого регулирования во многом появилась благодаря современным расчетным методикам прогнозирования функциональных характеристик в зависимости от рецептур энергонасыщенных материалов, их фазового состояния, продуктов химического превращения, параметров теплообменных процессов [1-10]. Следует также отметить, что традиционно энергонасыщенных материалы применялись в горно- и нефтегазодобывающей промышленности в виде зарядов, оказывающих ударно-волновое воздействие на породу [11-13]. В процессе эксплуатации эти заряды претерпевали химическое превращение в режиме детонации и, поэтому одной из основных их характеристик являлась восприимчивость к ударной (детонационной) волне. При проведении исследований и разработок энергонасыщенных и средств инициирования зарядов основное внимание уделялось безопасности и расширению условий применения [14,15]. Создание принципиально новых способов инициирования энергонасыщенных материалов сме-севого типа, основанных на их восприимчивости к радиоволнам [16], позволило упростить регулирование функциональных характеристик зарядов энергонасыщенных материалов и применить их в технологических процессах получения новых композиционных материалов с нанонаполнителями и нанораз-мерными модификациями структуры [17-21]. Дополнительные проблемы в вопросах инициирования энергонасыщенных материалов появились после разработки новых технологий и технических средств интенсификации нефтедобычи, сочетающих комплексное воздействие на призабойную зону пласта [22-26]. При доказанной эффективности ком-
плексной обработки, особенно перфорации пласта с последующей обработкой кислотосодержащими продуктами горения [27], на промыслах часто возникают отказы технических средств. Причина заключается в том, что комплексные технологии предполагают использование в едином устройстве энергонасыщенных материалов работающих в различных режимах химического превращения: взрывного (турбулентного) и послойного горения [28], детонации и послойного горения [29]. Возбуждение химической реакции в этих материалах осуществляется различными средствами инициирования. Для возбуждения детонации используются детонационные средства инициирования (электродетонаторы), а для возбуждения горения - электроогневые (электровоспламенители, электроинициаторы). В работах [28, 30] успешно решена проблема надежности функционирования скважинных устройств, сочетающих энергонасыщенные материалы, работающие в режиме взрывного и послойного горения, корректировкой рецептур и конструкции зарядов. Проблема обеспечения надежности устройств, сочетающих детонацию и горение энергонасыщенных материалов, остается открытой. Частично она решена в работе [31], путем подбора электрических средств инициирования, выпускаемых отечественной промышленностью, формирующих инициирующую ударную волну (электродетонатор) и инициирующее пламя (электроинициатор ЭИ-2Т). Электроинициатор предлагался взамен штатного узла инициирования - нихромовой спирали. Устройства подбирались исходя из способности срабатывания от короткого импульса штатной взрывной машинки, применяемой на нефтяных промыслах. Существенным недостатком предложенного способа инициирования заключается в необходимости конструкционных изменений серийно выпускаемого термоисточника в виде формирования разгрузочных отверстий с последующей их герметизацией, а также ограниченностью применения способа только в
корпусных перфораторах многократного применения. Схема предполагает одновременное задействование электродетонатора и электроинициатора подачей одного электрического импульса. При такой схеме существует вероятность отказа одного из средств инициирования. Наиболее нежелательным является отказ электродетонатора. В этом случае продукты энергонасыщенного материала термоисточника попадают в перфораторную камеру и вызывают сгорание кумулятивных зарядов. Перфораторы многократного применения имеют технологические отверстия для размещения и фиксации кумулятивных зарядов, закрываемые алюминиевыми дисками и резиновыми пробками. Поэтому в случае возникновения избыточного давления в камере перфоратора многократного действия произойдет открытие технологических отверстий и сброс продуктов горения в скважину. Однако, в настоящее время существует тенденция перехода нефтесервисных компаний на работу с перфораторами однократного применения, которые более удобны в эксплуатации. Принципиальная схема комплексного перфоратора однократного применения представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Принципиальная схема комплексного перфоратора
Конструкция перфоратора однократного применения не предусматривает наличие технологических отверстий, устройство представляет собой герме-
тичный сосуд. При срабатывании кумулятивных зарядов в стенках корпуса образуются отверстия. Продукты горения термоисточника через обратный клапан поступают в перфораторную камеру и через образованные кумулятивными зарядами отверстия воздействуют на породу нефтяного пласта. В случае несрабатывания электродетонатора и, следовательно, кумулятивных зарядов внутри корпуса развивается избыточное давление продуктов горения энергонасыщенного материала термоисточника. В результате превышения прочности корпуса происходит физический взрыв, сопровождающийся разрушением корпуса и его заклиниванием в скважине, что представляет собой аварийную ситуацию.
Исключение аварийных ситуаций возможно при последовательном задействовании кумулятивных зарядов, формирующих отверстия и термоисточника. Принципиальная возможность последовательного инициирования заключается в использовании различных электрических импульсов. Для задействования электродетонатора используется взрывная машинка, а для термоисточника со встроенным узлом инициирования на основе нихромовой сеть переменного тока с напряжением 220 В. Возникающие проблемы подробно описаны в работе [31]. При замыкании центрального провода на корпус после отстрела кумулятивных зарядов система становится неработоспособной. Это объясняется тем, что через спираль, обладающую электрическим сопротивление 3-4 Ома не протекает ток достаточной величины для воспламенения энергонасыщенного материала термоисточника. Целью настоящей работы является определение восприимчивости штатного энергонасыщенного материала термоисточника к электротепловому импульсу и разработка на основе полученных результатов рабочей электрической схемы инициирования, не требующей внесения изменений в конструкцию штатного термоисточника.
Экспериментальная часть
Оценку восприимчивости энерго-насыщенного материала к электротепловому импульсу производили методом измерения задержки времени между подачей электрического импульса и появлением пламени (время вослпаменения). Измерения производили с помощью комплекса ММД-СО1, описанного в работе [32]. На электрическую спираль с сопротивлением 4 Ома энергонасыщенного материала, состоящего из нитрата аммония, бихромата калия и эпоксидного компаунда подавали электрический ток различной веичины. Момент подачи регистрировался по каналу 1 цифрового осциллографа. Момент появления пламени фиксировался с помощью оптического датчика, сигнал от которого по оптоволокну передавался на преобразователь и также выводился на осциллограф по каналу 2. Типичная осциллограмма представлена на рисунке 2, где Дт - время задержки между подачей электрического импульса и началом горения.
Рис. 2 - Осциллограмма
По результатам экспериментов была построена зависимость времени воспламенения Дт от величины силы тока I (рис. 3).
Рис. 3 - Зависимость времени воспламенения энергонасыщенного материала от величины инициирующего тока
Время воспламенения предсказуемо сокращается с увеличением инициирующего тока. Для эффективной комплексной обработки скважины желательно, чтобы время воспламенения было не слишком велико. Опыт промыслового применения комплексной технологии показывает, что предельное значение времени воспламенения должно составлять не более 10 с. Исходя из этого, величина силы тока на электрической спирали штатного термоисточника при инициировании должна иметь значение не менее 1 А при которой время воспламенения составляет 7,8 с.
На следующей стадии исследований разрабатывалась электрическая схема инициирования, которая позволила бы обеспечить требуемый ток для воспламенения энергонасыщенного материала в независимости от состояния центрального провода комплексного перфоратора после отстрела кумулятивных зарядов. Предлагается включение в электрическую цепь дополнительного элемента сопротивления в соответствии со схемой, представленной на рис. 4.
Предлагаемая электрическая схема системы инициирования включает источник тока (стандартный прибор ПВВ-1, применяемый для инициирования перфоратора и выдающий во внешнюю цепь импульс тока величиной 2А и длительностью 100 мс), геофизический кабель с сопротивлением Як = 110 Ом, узел инициирования термоисточника с сопротивлением спирали Ят = 4 Ом, электродетонатор перфоратора с сопротивлением мостика Яп = 1 Ом и дополнительного сопротивления Ядоп > 1 Ом. При
запуске устройства на скважине первоначально подается электрический импульс от взрывной машинки ПВВ-1. Электрический импульс протекает через спираль воспламенения термоисточника Ят, но в связи с кратковременностью импульса спираль не раскаляется. После спирали электрический токовый
2А
Rk
Рис. 4 - Принципиальная электрическая схема системы инициирования комплексного перфоратора
импульс разделяется на две ветви цепи обратно пропорционально величинам сопротивлений электродетонатора Rn и дополнительного сопротивления R^. Гарантированный ток срабатывания электродетонатора 1А, поэтому должно выполняться условие R^ > RH. После срабатывания электродетонатора существует два возможных варианта изменения электрической схемы: 1) центральный провод замкнут на корпус (т.е. из цепи исключается сопротивление RH и цепь остается замкнутой), 2) центральный провод разомкнут (из цепи исключается сопротивление RH и цепь становится разомкнутой). Оба эти состояния были смоделированы в программе Electronics Workbench с учетом = 4 Ома. Результаты моделирования показали, что при подключении цепи к сети 220 В в первом варианте на спирали возникает ток величиной 1,913 А, а во втором варианте - 1,849А. Оба варианта удовлетворяют условию, при котором время воспламенения энергонасыщенного материала термоисточника не превышает 10 с. По зависимости At(I) (рисунок 3) время срабатывания при полученных значениях силы тока должно составлять 3,0 - 3,5 с.
На следующем этапе исследований проводилась оценка восприимчивости энергонасыщенного материала термоисточника при двух возможных вариантах инициирования. Схема была проверена в лабораторных условиях. В эксперименте был использован штатный узел инициирования со спиралью и энергонасыщенным материалом, сформированным в пластиковом корпусе. Для имитации сопротивления геофизического кабеля использовался реостат, выставленный на величину сопротивления 110 Ом. В качестве дополнительного сопротивления и сопротивления детонатора использовались отрезки ни-хромовой проволоки. Электрическое питание осуществлялось непосредственно от бытовой розетки с
напряжением 220В. Параллельно проводилось по три эксперимента для каждого варианта. Воспламенение энергонасыщенного материала происходила в обоих вариантах с задержкой по времени 2,92 и 2,86 с, соответственно. Меньшее время срабатывания по сравнению с прогнозируемыми данными может быть обусловлено дополнительной изолирующей способностью пластикового корпуса и погрешностью измерений. В любом случае время срабатывания удовлетворяет требуемым значениям.
На заключительной стадии исследований проводилась оценка восприимчивости энергонасыщенного материала в составе лабораторного образца комплексного перфоратора (рисунок 1). Исследования проведены на испытательном стенде, имитирующем нефтяную скважину [30]. Срабатывание изделий фиксируется по изменению давления внутри стенда, создаваемого продуктами горения энергонасыщенного материала. Первоначально зарегистрирован единичный импульс высокой амплитуды от взрыва кумулятивного заряда. Сразу после срабатывания кумулятивного заряда подается напряжение 220 В на спираль энергонасыщенного материала комплексного перфоратора. Давление газообразных продуктов сгорания топлива состава термоисточника начинает превышать давление в корпусе перфоратора, благодаря этому открывается отверстие соединительного узла. Продукты сгорания состава термоисточника проникают через него в корпус перфоратора и начинают истекать из окошка этого корпуса в стенд. При этом рост давления от продуктов горения энергонасыщенного материала фиксируется через 7-9 секунд после подачи напряжения. Таким образом, полученный технический результат подтверждает достаточную восприимчивость эне-рогнасыщенного материала комплексного перфоратора к электротепловому импульсу и работоспособность устройства с разработанной электрической схемой инициирования. Следует отметить, что дополнительное сопротивление может быть введено в электрическую цепь комплексного перфоратора как внешний элемент, без изменения конструкции комплектующих изделий.
Заключение
Результаты исследований показывают, что эне-рогнасыщенный материал комплексного перфоратора обладает хорошей восприимчивостью к электротепловому импульсу. Установлено, что при пропускании через спираль сопротивлением 4 Ома тока величиной 1 А время воспламенения составляет 7,8 с. При использовании схемы инициирования с дополнительным сопротивлением восприимчивость энеронасыщенного материала сохранятся на достаточном уровне для обеспечения технологических режимов комплексной обработки призабойной зоны нефтяной скважины вне зависимости от состояния центрального провода после срабатывания кумулятивных зарядов. Время воспламенения энергонасыщенного материала при этом не превышает 3 с.
Литература
1. Гарифуллин Р.Ш. Анализ расчетных характеристик сгораемых материалов на основе нитрата аммония и по-
рошкообразного эластомера для обработки нефтяных скважин / Гарифуллин Р.Ш., Сальников А.С., Базотов В.Я., Борисов В.М. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 10. С. 254-255.
2. Александров В.Н. Тепловые потери при манометрических испытаниях / Александров В.Н., Диновецкий Б.Д., Сафронов П.О., Скупко С.А. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 23. С. 148150.
3. Александров В.Н. Определение тепловых потерь при проведении манометрических испытаний / Александров В.Н., Диновецкий Б.Д., Сафронов П.О., Косточко А.В., Скупко С.А. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 21. С. 272-273.
4. Сафронов П.О. Эксплуатационные характеристики нит-ратцеллюлозных блочных зарядов / Сафронов П.О., Скупко С .А., Афанасьев В.П., Абрамовская Е.С. / Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 24. С. 137-138.
5. Гагаркин Д.М. Исследование энергонасыщенных материалов, применяемых в технологии комплексной перфорации скважин / Гагаркин Д.М., Мокеев А. А., Марсов А.А., Садыков И.Ф., Бадретдинова Л.Х., Макарова Н.А. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 24. С. 122.
6. Чипига С.В. Разработка состава топлива газогенератора для обработки нефтяных скважин /
Чипига С.В., Садыков И.Ф., Марсов А.А., Мокеев А.А. //
Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 7. С. 168-170.
7. Чипига С. В. Расчетно-теоретическое обоснование возможности создания универсального состава топлива термоисточника для обработки нефтяных скважин / Чи-пига С.В., Садыков И.Ф., Марсов А.А., Мокеев А.А. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 7. С. 174-176.
8. Гарифуллин Р.Ш. Исследование энергетических характеристик термопластичного твердого топлива на основе нитрата аммония и порошкообразного эластомера / Га-рифуллин Р.Ш., Борисов В.М., Мокеев А.А., Сальников А.С. // Взрывное дело. 2012. № 107-64. С. 60-68.
9. Гарифуллин Р.Ш. Анализ результатов расчета состава продуктов горения термопластичного твердого топлива, предназначенногодля повышения дебита нефтяных скважин / Гарифуллин Р.Ш., Базотов В.Я., Мокеев А.А., Сальников А.С. // Взрывное дело. 2011. № 106-63. С. 252-258.
10. Мокеев А.А. Исследование физической стабильности энергонасыщенных составов химически активного элемента, предназначенного для обработки нефтяных скважин / Мокеев А.А., Солдатова А.С., Бадретдинова Л.Х., Садыков И.Ф., Марсов А.А. // Взрывное дело. 2012. № 107-64. С. 49-59.
11. Александров В. Н. Взрывная технология активации соляных пород для их скважинной гидродобычи / Александров В.Н., Садыков И.Ф., Базотов В.Я., Вишняков А.К., Бегашев Д.В. // Взрывное дело. 2009. № 101-58. С. 80-91.
12. Марсов А.А. Заряд перфоратора / Марсов А.А., Мокеев А.А., Садыков И.Ф., Минибаев Ш.Х. // Патент РФ на изобретение Ш 2250359, 18.03.2003.
13. Марсов А.А. Заряд перфоратора / Марсов А.А., Мокеев А.А., Садыков И.Ф., Хайрутдинов М.Р. // Патент РФ на изобретение Ш 2391620, 20.04.2009.
14. Вахидов Р.М. Низковольтный электродетонатор на основе бризантного взрывчатого вещества / Вахидов Р.М., Кузнецов Е.П., Куражов А.С., Исхаков Т.Н., Базотов В.Я., Анисимов А.Н., Назмиев Р.И., Хамидуллин Д.И. // Патент РФ на изобретение Ш 2315259, 22.05.2006.
15. Александров В.Н. Детонирующие шнуры повышенной эффективности и стойкие к агрессивным средам / Александров В.Н., Иванов Н.Б., Суркова И.Ю., Евсеева Т.П., Базотов В.Я. // Взрывное дело. 2012. № 107-64. С. 154167.
16. Хадиева Д. А. Инициирование аммиачно-селитренных составов радиоволновым излучением / Хадиева Д.А., Вахидов Р.М., Базотов В.Я. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 5. С. 35-37.
17. Вольфсон С.И. Влияние способа внедрения нанона-полнителя на свойства полимерных композиций / Вольфсон С.И., Готлиб Е.М., Наумов С.В., Мокеев А.А., Фиговский О. Л. // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 14. С. 186-189.
18. Ильичева Е. С. Влияние способа введения модифицированного волластонита на структуру резин на основе ски-3 / Ильичева Е.С., Готлиб Е.М., Фиговский О.Л., Мокеев А.А., Наумов С.В. // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 15. С. 141-145.
19. Солдатова А.С. Изучение структуры и эксплуатационных характеристик в зависимости от времени хранения состава термоисточника, изготовленного в условиях повышенной влажности (80-85%) / Солдатова А.С., Сады-ков И.Ф., Марсов А.А., Мокеев А.А., Хадиева Д.А. // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 8. С. 104-111.
20. Figovsky, O.L. Super deep penetration - new method of nanoreinforced composites producing based on polymer matrixes / O.L. Figovsky, E.M. Gotlib, E.C. Ilicheva, A.A. Mokeev // Инженерный вестник Дона.- Ростов-на-Дону, 2014, т.31, №4-1, С.133-137
21. Figovsky, O.L. Production of polymer nanomembranes by super deep penetration method / O.L. Figovsky, E.M. Gotlib, D.M. Pashin, A.A. Mokeev // Chemistry and Chemical Technology. 2012. Т. 6. № 4. С. 393-396.
22. Чипига С.В. Устройство и технология для комплексной перфорации и термогазокислотной обработки при-забойной зоны скважины / Чипига С.В., Садыков И.Ф., Марсов А.А., Мокеев А.А. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 24. С. 126.
23. Способ перфорации и обработки призабойной зоны скважины и устройство для его осуществления / Сады-ков И.Ф., Марсов А.А., Чипига С.В., Мокеев А.А., Хай-рутдинов М.Р., Часовский Д.В., Булатов У.Х. // патент на изобретение RUS 2469180, 10.11.2010.
24. Способ обработки призабойной зоны скважины / Са-дыков И.Ф., Чипига С.В., Марсов А.А., Мокеев А.А.,
Каримов М.М. // патент на изобретение RUS 2469189, 13.04.2011.
25. Способ обработки призабойной зоны пласта жидким горюче-окислительным составом / Садыков И.Ф., Брю-ханова О.А., Марсов А.А., Миннуллин Р.М., Мокеев А.А. // патент на изобретение RUS 2459946, 25.06.2009.
26. Садыков И.Ф. Универсальный химический реагент для кислотной обработки призабойной зоны нефтяных пластов из карбонатных и терригенных пород / Садыков И.Ф., Марсов А.А., Мокеев А.А. // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 13. С. 190-192.
27. Косарев А.А. Продукты горения твердотопливных зарядов: оценка эффективности действия на карбонатные породы / Косарев А.А., Мокеев А.А., Гильмутдинов Д.К., Шаклеина О.С. // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 17. С. 77-79.
28. Мокеев А.А. Исследование комбинированных зарядов энергонасыщенных материалов для обработки нефтяных скважин / Мокеев А.А., Сальников А.С., Бадретдинова Л.Х., Евдокимов А.П., Марсов А.А. //
Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 15. С. 268-269.
29. Чипига С.В. Устройство для комплексной перфорации и кислотной обработки призабойной зоны скважины / Чипига С.В., Садыков И.Ф., Марсов А.А., Мокеев А.А. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 6. С. 174-177.
30. Мокеев А.А. Лабораторный стенд для изучения характеристик горения комбинированных зарядов энергонасыщенных материалов / Мокеев А.А., Сальников А.С., Бадретдинова Л.Х., Евдокимов А.П. //
Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 15. С. 95-97.
31. Мокеев А.А. Исследование воспламеняемости энергонасыщенного материала термоисточника от промышленного электроинициатора / Мокеев А.А., Евдокимов А.П., Сальников А.С., Гарифуллин Р.Ш., Марсов А.А., Файзуллина М.Р. // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 4. С. 208-210.
32. Мокеев А.А. Измерительный комплекс для определения скорости детонации энергонасыщенных материалов / Мокеев А.А., Сальников А.С., Платонов С.В., Евдокимов А.П., Торуткина Н.И. / Взрывное дело. 2015. № 11370. С. 183-190.
© М. Р. Файзуллина - канд. техн. наук, доцент каф. технологии твердых химических веществ КНИТУ, ttxb@kstu.ru; А. П. Евдокимов - магистрант той же кафедры, fabshb@mail.ru; Н. И. Торуткина - аспирант той же кафедры, natalya.torutkina@bk.ru; А. В. Николаева - магистрант той же кафедры; А. А. Марсов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.
© M. R. Fayzullina - candidate. tehn. Sciences, assistant professor. technology of solid chemicals KNRTU, ttxb@kstu.ru; A. P. Evdokimov - Master Degree of the same department, fabshb@mail.ru; N. I. Torutkina- Graduate student of the same department, natalya.torutkina@bk.ru; A. V. Nikolaeva - Master Degree of the same department; А. А. Marsov - PhD, Associate Professors of the same department.
