CC BY
49
Л. Х. Бадретдинова, И. Ф. Садыков
СОЗДАНИЕ ЖЕЛАТИНООБРАЗНОГО ГОРЮЧЕ-ОКИСЛИТЕЛЬНОГО
СОСТАВА ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Ключевые слова: интесификация нефтедобычи, горюче-окислительный состав, же-
латинизация, устойчивость горения.
Отработана рецептура, технология приготовления и эксплуатационные характеристики горюче-окислительного состава (ГОС). Дано обоснование выбора рецептуры и компонентов ГОС, выполнены исследования по растворимости и желатинизации ГОС. Изучена физико-химическая совместимость компонентов, чувствительность к механическим воздействиям, а также оптимизация рецептуры ГОС по характеристикам горения.
Keywords: increasing of oil production, combustible-oxidizing structure, gelatinization, stability
of burning.
The compounding, technology of preparation and operational characteristics of combustible-oxidizing structure(COS) is fulfilled. The substantiation of choice a compounding and components (COS) is given, researches on solubility and elatiniza-tion COS are executed. Physical and chemical compatibility of components, sensitivity to mechanical influences, and also optimization retsep-rounds COS under burning characteristics is studied.
В настоящее время существует проблема, связанная с существенным снижением производительности нефтяных скважин из-за асфальто-смолистых и парафиновых отложений, приводящих к ухудшению коллекторских свойств пласта в призабойной зоне скважин [1].
Существующие способы обработки нефтяных скважин с использованием генераторов пороховых зарядов и жидких горюче-окислительных систем (ГОС) имеют существенные недостатки, связанные с опасностью детонации или объемного взрыва, а также с трудоемкостью их доставки с устья в забой скважины путем закачки жидкого ГОС через насосно-компрессорные трубы [2-6]. Результаты изучения литературных данных указывают на целесообразность разработки ГОС, учитывающих как преимущества, так и недостатки твердотопливных генераторов давления и существующих в настоящее время ГОС. В связи с этим работа посвящена созданию на основе исходной базовой рецептуры желатинообразного ГОС для обработки нефтяных скважин, обладающих высокой безопасностью, способностью к устойчивому воспламенению и послойному сгоранию в условиях приближенных к скважинным и с возможностью кабельной доставки в забой, являющихся в конечном итоге альтернативой существующим жидким ГОС и пороховым генераторам давления.
ГОС включает в себя минеральный окислитель, органическое горючее и общий растворитель. Все компоненты экологически безвредны, пожаробезопасны на дневной поверхности и выпускаются промышленностью.
В качестве исходной базовой рецептуры для исследования взята рецептура на основе водного раствора аммиачной селитры и этиленгликоля.
Поскольку основным компонентом ГОС является аммиачная селитра (АС), прежде всего, изучена ее растворимость в воде. Эксперименты показали, что максимальная растворимость аммиачной селитры в воде при комнатной температуре составляет 60 % и соответствует литературным данным.
В дальнейшем изучалась возможность повышения содержания аммиачной селитры в водном растворе за счет добавки полиакриламида (ПАА). Результаты показывают, что введение этой добавки позволяют повысить растворимость аммиачной селитры, при этом установлено, что оптимальное содержание добавки ПАА составляет 0,45-0,5 %, при котором растворимость АС составляет 65-67 % и достигается переход раствора из жидкого в однородное желатинообразное состояние в течении 6 часов, достаточного для заливки ГОС в корпус.
С целью повышения содержания АС в ГОС и с учетом необходимости введения других добавок для придания ГОС эластичного состояния содержание этиленгликоля, который является горючим, взято равным 15 %.
Растворимость АС в водном растворе ПАА и этиленгликоля (ЭГ) повышается при введении добавки нитрата натрия (НН), оптимальным содержанием которой является 3-5 %, и при котором растворимость АС составляет 67-70 %, и сохраняются необходимые реологические свойства ГОС.
Кроме указанных выше компонентов в составе ГОС, с целью повышения желати-низации исследована добавка бихромата калия (БК). Известно, что БК является эффективным стабилизатором горения АС. Также эта добавка является структурообразователем, способным перевести раствор из жидкого состояния в эластичное желатинообразное. Оптимальным содержанием добавки БК является 0,9-1,0 %, при котором раствор остается в жидкотекучем состоянии до 6 часов, достаточного для технологии снаряжения ГОС.
Перед отработкой оптимальной рецептуры состава ГОС изучены термическая стабильность отдельных компонентов предложенных выше, а также химическая совместимость их друг с другом в рецептуре состава (табл. 1).
Таблица 1 - Термическая стабильность и совместимость компонентов и составов ГОС
Индивидуальные вещества и составы Эндо- и экзоэффекты при температурах, °С
Т □ Тнтр Тразл
Аммиачная селитра 37 130 135
Этиленгликоль - 200 250
Полиакриламид 235 295 310
Бихромат калия 500 - -
Нитрат натрия - 310 320
ГОС (без НН) 115 210-250 290
ГОС (с НН) 150 290-310 340
Здесь приведены данные как для отдельных компонентов, так и для ГОС без нитрата натрия и для ГОС с нитратом натрия.
Таким образом, наиболее термостойким является бихромат калия, а наименее термостойким аммиачная селитра. Все компоненты химически совместимы друг с другом. Их смеси имеют температуру Тнтр (>200 °С) выше, чем у наименее стойкого компонента аммиачной селитры (130 °С).
Для исследуемых составов проведена оценка их характеристик чувствительности к взрыву при механических воздействиях, которые определяют возможность безопасного приготовления ГОС и их эксплуатация в скважинных условиях (табл. 2).
Таблица 2 - Чувствительность составов к механическим воздействиям
Состав Чувствительность к удару
Частость взрыва, % Нижний предел, мм
ГОС (без НН) 0 > 500
ГОС (с НН) 0 > 500
Из табл. 2 видно, что составы на основе аммиачной селитры не обладают чувствительностью к удару и имеют высокую технологическую безопасность при изготовлении и эксплуатации.
Для дальнейшей оптимизации состава ГОС выполнены исследования по влиянию на растворимость процентного содержания компонентов ГОС. С этой целью были подготовлены образцы ГОС из 10 рецептур (табл. 3). Затем эти образцы подвергались испытаниям на стендовой установке, имитирующей скважинные условия, с целью определения характеристик горения.
Таблица 3 — Рецептурный состав ГОС
Состав, % Рецептуры составов
I II III IV V VI VII VIII IX X
Вода 13,5 13,5 13,5 9,2 14 14,2 14,3 14,4 13.5 13.5
Полиакриламид 0,5 0,5 0,5 0,3 0,5 0,3 0,2 0,3 0.5 0.5
Этиленгликоль 20 15 10 10 10 10 10 10 15 15
Аммиачная селитра 65 67 70 74 70 70 70 70 67 67
Бихромат калия 1 1 1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,3 1 1
Нитрат натрия - 3 5 6 5 5 5 5 3 3
Из всех исследуемых составов устойчивое горение наблюдается только для рецептур I, II, IX и X (табл. 4), которые являются оптимальными, одна из которых не содержит добавку НН, а остальные содержат добавку НН в количестве 3 %.
Наименование Свойства составов
показателей I II III IV V VI VII VIII IX X
Плотность, г/см3 1,42 1,47 1,51 1,55 1,51 1,51 1,51 1,5 1,47 1,47
Предварительное давление, МПа 5 4,2 3 4 3,2 6 3,5 1,9 80 77
Скорость горения, мм/сек 2,8 6,4 - - - - - - 6.13 5.4
Графики зависимости изменения давления от времени горения для образцов IX и X представлены на рис. 1 и 2.
294 299 304 309 314 319 324 329
время, сек
Рис. 1 - Зависимость изменения давления от времени горения образца (ГОС с нитратом натрия с повышенным предварительным давлением)
При испытании образца ГОС IX с добавкой НН создавалось предварительное давление равное 80 МПа при этом образец штатного ТИМ (массой 200 гр.) сгорел за время 294 с со скоростью 2,8 мм/с. Далее осуществлялось воспламенение шашки из термитного состава от которой происходит воспламенение и сгорание ГОС со скоростью 6,13 мм/с в пределах давления от 74 до 180 атм.
При испытании образца ГОС X с добавкой НН с использованием сетки, предназначенный для сбора шлаков от горения термита, которую установили на высоте 85 мм, создавалось предварительное давление равное 77 МПа при этом образец штатного ТИМ (массой 200 гр.) сгорел за время 294 с со скоростью 2,8 мм/с. Далее осуществлялось воспламенение шашки из термитного состава от которой происходит воспламенение и сгорание ГОС со скоростью 5,4 мм/с в пределах давления от 70 до 174 атм.
Рис. 2 - Зависимость изменения давления от времени горения образца (ГОС с нитратом натрия с повышенным предварительным давлением с использованием сетки)
Устройство рекомендуемого опытного варианта желатинообразного ГОС представляет собой корпус (1), который заполнен жидким раствором ГОС (2), устанавливается крышка-втулка (3), на который крепится узел воспламенителя (4). После окончания жела-тинообразования ГОС, т.е. перехода его их жидкого состояния в твердое эластичное состояние, к корпусу закрепляется переходник (5), который служит для присоединения к кабельной головке при выполнении спуска устройства в скважину (рис. 3).
Рис. 3 - Схема опытного варианта устройства с желатинообразным ГОС для испытания в скважине: 1 - корпус; 2 - ГОС; 3 - крышка-втулка; 4 - узел воспламенения; 5 -переходник
В итоге, в работе впервые предложена рецептура желатинообразного ГОС для обработки нефтяных скважин содержанием:
Аммиачная селитра 67 - 70 %;
Нитрат натрия 3 - 5 %;
Этиленгликоль 15 - 20 %;
Полиакриламид Бихромат калия Вода
0,45 - 0,5 %; 0,9 - 1 %;
остальное.
Предложенный ГОС способен по исходным реологическим характеристикам формироваться в эластичном состоянии в легком пластикатном корпусе, обладает способностью к воспламенению от термитного воспламенителя и послойному сгоранию со скорость 5-6 мм/с при давлении 7-15 МПа в скважинных условиях, имеет высокую степень безопасности по физико-химической стабильности и чувствительности к механическим воздействиям, обладает простотой и дешевизной изготовления.
Разработанный желатинообразный ГОС в пластикатном корпусе рекомендуется для опытно-промысловой проверки в качестве альтернативы существующим пороховым генераторам давления и жидким ГОС для обработки нефтяных скважин.
1. Байков, Н. М. О состоянии и перспективах развития нефтегазовой промышленности России / Н.М. Байков // Нефтяное хозяйство. - 2008. - №1. - С. 10-13.
2. Меркулов, А. А Реализация импульсных технологий воздействия на пласт, средства контроля параметров процесса / А. А Меркулов и [др.] // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС, 2001. -Вып. 86.
3. Крощенко, В. Д. Создание комплексных аппаратов для одновременного вскрытия пластов и интенсификации притоков / В Д. Крощенко и [др.] // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС, 2001. - Вып. 78.
4. Вайтенко, Ю. И. Взрывные и импульсные методы интенсификации добычи нефти и газа / Ю. И. Вайтенко и [др.] // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС. - 2005. - Вып. 130-131.
5. Прострелочно-взрывная аппаратура и ее применение в скважинах. Справочник. / Под ред. Л.Я. Фридляндера. - 2-изд. - М.: Недра, 1990.
6. Грибанов, Н. И. Газодинамический разрыв пласта с применением жидких ГОС / Н. И. Грибанов [и др.] // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС, - 1999. - Вып. 60.
© Л. Х. Бадретдинова - асп. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ; И. Ф. Садыков -д-р техн. наук, проф. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ, лауреат государственной премии РТ в области науки и техники, заслуженный деятель РФ, ilnur@cnit.ksu.ras.ru.
Литература
