CC BY
73
ПРОБЛЕМЫ НЕФТЕДОБЫЧИ, НЕФТЕХИМИИ, НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
УДК 662.61:662.23:536.46
Е. Г. Белов, А. М. Коробков, И. Р. Субханкулов,
С. В. Михайлов, С. Б. Гришкина
РАЗРАБОТКА ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ
СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Ключевые слова: сульфат кальция, пиротехнический состав, нефтяная скважина, термогазохимическое воздействие, процесс горения, вода, нефть, calcium sulfate, pyrotechnic composition, the oil well, thermo-gas-chemical action, the process of combustion, water, oil
Исследованы закономерности процесса горения металлсодержащих композиций на основе полуводного сульфата кальция в условиях, близких к скважинным. Оценена возможность разработки эффективных пиротехнических составов для обработки нефтяных скважин с целью увеличения добычи нефти. Laws of process of burning metal containing compositions on the basis of semiwater sulphate of calcium in the conditions close to wells’ conditions are investigated. Possibility of working out of effective pyrotechnic structures for processing of oil wells for the purpose of oil recovery increase is estimated.
В настоящее время методы с использованием процесса горения широко используются для обработки призабойной зоны скважины (ПЗС). Основу методов повышения нефтеотдачи составляют три вида воздействия на призабойную зону пласта: давление, тепло и химические реакции. Каждое из этих видов воздействия (или их комбинация) реализуется при работе термогазогенераторов. Использование тепловой, химической энергии и механического воздействия на ПЗС продуктами сгорания лежит в основе термогазохимического метода воздействия (ТГХВ) [1, 2]. Эффективность данного метода воздействия определяется не только количеством подведенного тепла, но и тем, что в качестве рабочего тела используются химически агрессивные, нагретые до высокой температуры продукты сгорания, легко проникающие в поры и трещины продуктивного пласта, разрушающие и удаляющие из них твердые углеводородные отложения и эмульсии.
Все композиции для комплексного воздействия на ПЗС можно разделить на несколько больших групп, основываясь на их природе. Это баллиститные топлива, смесевые твердые топлива, смесевые составы, высокометаллизированные составы пиротехнического типа (ВМПС). ВМПС в отличие от других композиций не обладают детонационноспособ-ностью, имеют высокую плотность, что увеличивает характеристики с единицы объема, а это особенно важно, учитывая ограниченность внутреннего пространства скважины. При их горении в качестве окислителя используется скважинная вода, что увеличивает энергетические характеристики композиции с единицы массы [3]. Однако, весьма высокая гигроскопичность и растворимость применяемых в качестве окислителей таких неорганических солей, как нитраты металлов, существенно осложняет технологию изготовления термогазогенератора на их основе, а также приводит к резкому снижению термодинамических и физико-химических характеристик составов в процессе хранения и эксплуатации, это в
свою очередь приводит к увеличению числа отказов при эксплуатации термогазогенератора и к снижению технологической безопасности при применении данного изделия на нефтяных скважинах. Одними из недостатков ВМПС является высокая чувствительность к тепловым и механическим воздействиям, сравнительно высокая скорость горения и большая зависимость скорости горения от внешнего давления, а также низкая термостабильность солей азотной кислоты, их высокая себестоимость.
Проведенные исследования по горению составов на воздухе при атмосферных условиях показали, что составы на основе сульфатов в ряде случаев ничем не уступают по своим характеристикам известным композициям с нитратами металлов, а иногда даже превосходят их. Учитывая высокую термостабильность, низкую гигроскопичность сульфата кальция, а также чрезвычайно малую чувствительность к механическим и тепловым воздействиям составов на его основе, можно предположить, что сульфат кальция возможно использовать в качестве окислителя в металлсодержащих композициях для термогазогенераторов, использующихся для обработки нефтяных скважин с целью увеличения добычи нефти.
Для получения информации о поведении модельных составов в условиях, приближенных к нефтяным скважинам, был проведен ряд исследований по горению в воде при повышенных давлениях. В лабораторных условиях такие параметры как высокое давление и жидкая среда возможно реализовать при горении опытных образцов в замкнутых и полузамкнутых объемах. Газообразные продукты горения будут создавать требуемые высокие давления. В ходе экспериментов определялись различные характеристики - устойчивость горения образца, оценивался закон скорости горения, определялись средняя скорость горения и максимальное давление.
Для испытаний была выбрана двойная система: порошок магния МПФ-2 (43-53 %) и полуводный сульфат кальция (57-47 %). Образцы диаметром 19 мм формовались методом глухого прессования до относительной плотности 0,8.
Исследование влияния содержания магния в составах на полуводном сульфате кальция на зависимость скорости горения в воде от давления показало, что с увеличением содержания металла в составе скорость горения возрастает (табл. 1). Сравнивая зависимости скорости горения в воде от давления составов на основе полуводного сульфата кальция с магнием и нитрата натрия с магнием с содержанием металла 53% можно отметить, что в отличие от нитратного состава, имеющего закон скорости горения и=2,8Р0’47 во всем диапазоне давлений 0,1-25,0 МПа, композиция на сульфате кальция в интервале давлений
0,1-1,0 МПа имеет сильную зависимость скорости горения от давления, а при давлении более 1,0 МПа данная зависимость значительно ослабевает.
Таблица 1 - Закон скорости горения составов на основе полуводного сульфата кальция
Содержание металла в составе, % Закон скорости горения в интервале давлений
0,1-1 МПа более 1 МПа
43 и=2,9бР0’50 и=13,02Р0,06
48 и=3,7бР0’53 и=14,45Р0,09
53 и=з,99Р054 и=1б,11Р010
По полученным результатам видно, что с увеличением содержания металлического горючего с 43 до 53 % наблюдается незначительное увеличение зависимости скорости горения от давления, коэффициент V возрастает (от 0,50 до 0,54). Такая закономерность горения характерна для давления ниже 1,0 МПа. При более высоких давлениях зависимость скорости горения от давления резко ослабевает, коэффициент V имеет наибольшее значение 0,10 для составов с содержанием металла 53%.
Учитывая, что каждая нефтяная скважина обладает индивидуальными характеристиками (по обводненности жидкой фазы, плотности жидкости, давления, температуры и др.), то эффективность обработки скважины термогазогенератором будет зависеть от свойств скважин. Для решения вопросов связанных с разработкой новых и усовершенствования имеющихся технологий, и безопасности применения термогазогенераторов необходим анализ поведения термогазогенераторов в условиях скважин и, в частности, в тех средах, которые являются составной частью скважинной жидкости.
Для приближения условий испытания образцов к реальным, исследовали процесс горения составов на основе полуводного сульфата кальция (47%) и МПФ-2 (53%) с окислительным балансом «-12» в замкнутом объеме в различных средах: в воде, в нефти и в водонефтяных эмульсиях с соотношением нефти и воды 30%/70%, 50%/50% и 70%/30% соответственно.
В результате проведённых исследований составов получили экспериментальные зависимости линейной скорости горения и максимального давления, составов от содержания нефти в жидкой среде. Результаты эксперимента представлены на рис. 1 и 2. Можно отметить, кривые линейной скорости горения и максимального давления носят экстремальный характер с точками максимума (31 мм/с и 30 МПа соответственно) в водонефтяной эмульсии при содержании нефти в жидкости 50%.
Рис. 1 - Зависимость скорости горения составов от содержания нефти в эмульсии
Рис. 2 - Зависимость максимального давления составов от содержания нефти в эмульсии
Таким образом, исследования показали, что составы, содержащие в смесях металлическое горючее и полуводный сульфат кальция способны к самостоятельному горению в условиях скважинной жидкости. Они имеют слабую зависимость скорости горения от
давления при высоких давлениях, что делает их перспективными для дальнейших исследований. Избыток металлического горючего за счет взаимодействия с водой скважинной жидкости как окислителем способствует выделению дополнительного тепла и газообразных продуктов. В результате этого съём необходимого количества тепла с единицы массы и тем более с единицы объема заряда энергоносителя резко возрастает. Такие смеси, будучи уплотненными и оформленными в виде монолитного блока, обладают рядом технологических и эксплуатационных преимуществ. Блоки сгорающих элементов не восприимчивы к детонации, горение их в замкнутых объемах не способно переходить во взрыв, они имеют высокую плотность.
Литература
1. Чазов, Г.А. Термогазохимическое воздействие на малодебитные и осложненные скважины / Г. А. Чазов, В. И. Азаматов, С. В. Якимов. - М.: Недра, 1986. - 150 с.
2. Попов, А.А. Ударно-депрессионное воздействие на призабойную зону скважин / А. А. Попов. -М.: Недра, 1990. - 138 с.
3. Сарабьев, В.И. Твердотопливные пиротехнические теплогазогенераторы для восстановления работоспособности нефтяных и газовых скважин / В. И. Сарабьев [и др.] // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. - 2005. - Вып.3 (44) - С. 67-70.
© Е. Г. Белов - канд. техн. наук, доц. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; А. М. Коробков - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; И. Р. Субханкулов - мл. научн. сотр. той же кафедры; С. В. Михайлов - ст. препод. той же кафедры; С. Б. Гришкина - вед. инж. той же кафедры.
