CC BY
37
УДК 662.2:662.76
А. С. Сальников, Р. Ш. Гарифуллин, В. Я. Базотов,
М. Р. Файзуллина, А. А. Павлюхин
ТЕРМОПЛАСТИЧНОЕ ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО НА ОСНОВЕ ПОРОШКООБРАЗНОГО ЭЛАСТОМЕРА ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Ключевые слова: термопластичное твердое топливо, скорость горения, нитрат аммония, графит.
В работе выполнены исследования по разработке рецептуры термопластичного твердого топлива, применяемого в устройствах для интенсификации нефтедобычи. Установлено, что представленная композиция обладает низкой чувствительность к внешним воздействиям, теплотой сгорания - 3998 кДж/кг, скоростью горения, равной 20 мм/с при 100 атм., что свидетельствует о повышенной эффективности состава в скважинных условиях по сравнению со штатным термоисточником. Добавление 3% графита позволяет получать более плотные заряды из термопластичного твердого топлива, что способствует увеличению удельного тепло- и газовыделения устройств, применяемых для прогрева нефтяного пласта.
Keywords: thermoplastic solid fuel, burning rate, ammonium nitrate, graphite.
In a work, a study on the development of formulations of thermoplastic solid fuel to be used in devices for intensification of oil production. It is established that the submitted composition has low sensitivity to external influences, the heat of combustion - 3998 kJ/kg, the burning rate is equal to 20 mm/s at 100 ATM., which indicates the higher effectiveness of the composition under downhole conditions in comparison with the standard thermopile. The addition of 3% graphite to obtain a more dense charge of thermoplastic solid fuels, which contributes to the increase in the specific eat and gassing devices used for heating of oil reservoir
Введение
На сегодняшний день многие нефтяные месторождения находятся на поздней стадии выработки и нуждаются в мероприятиях по интенсификации нефтепритока низкодебитных скважин. Суть большинства из этих мероприятий заключается в улучшении колеекторских свойств призабойной зоны нефтяного пласта различными физико-химическими воздействиями. Среди технологий повышения нефтеотдачи нефтяных пластов заметное место занимают методы прогрева призабойной зоны продуктами сгорания твердотопливных зарядов в индивидуальном режиме или в комплексе с дополнительными методами воздействия на пласт. Используемые долгое время устройства на основе термитных составов в настоящее время практически не используются ввиду ряда недостатков термитных составов. К числу таких недостатков относятся повышенное образование твердых шлаков, трудность воспламенения и неудовлетворительные технологические характеристики, связанные с необходимостью использования высоких давлений при формовании зарядов. Кроме того, термиты в процессе горения выделяют преимущественно твердые продукты и, поэтому, прогрев призабойной зоны в основном притекает по механизму теплопроводности, что приводит к значительной потери энергии в окружающую среду. Перспективным направлением развития твердотопливных составов для обработки нефтяных скважин являются составы на основе нитрата аммония, которые при меньших энергетических характеристиках по сравнению с термитами, способны образовывать значительное количество газообразных продуктов. В условиях скважины высоконагретые газообразные продукты горения являются более эффективными теплоносителями, передающие теплоту в призабой-ную зону по механизму диффузии. Известные составы на основе нитрата аммония и эпоксидных
компаундов [1-3] обладают относительно низкой температурой горения (не более 1100 К) и значительным количеством шлакообразованием (до 30% от массы исходного состава), удельное газообразование ограничивается значениями 800-900 л/кг. В связи с этим на кафедре технологии твердых химических веществ Казанского национального исследовательского технологического университета предложены новые топлива на основе нитрата аммония и порошкообразного эластомера для тепловой обработки скважин. Результаты теоретических исследований [4-9] показали, что двойные смеси окислителя нитрата аммония и порошкообразного каучука СКН-26 обладают повышенными по сравнению с известными составами характеристиками. Уровень температуры горения составляет более 1500 К, удельное газообразование более 1000 л/кг, при этом количество твердых продуктов горения не превышает 5% от массы исходного состава. Кроме того, предложенные топлива можно перерабатывать высокопроизводительным методом проходного прессования в изделия заданной длины и сечения Экспериментальные исследования [10-17] и испытания на промыслах [18,19] выявили некоторые недостатки предложенных рецептур. Во-первых, двойные смеси обладают низкой воспламеняемостью от промышленных средств воспламенения и нестабильным режимом горения при невысоких давлениях, характерных для забоев малодебитных скважин. Во-вторых, составы малоэффективны при обработке слабопроницаемых карбонатных коллекторов и пластов, насыщенных высоковязкой нефтью, что связано с недостаточным тепловым эффектом при сгорании. В-третьих, при изготовлении проходным прессованием формируемые заряды обладают невысокой плотностью. В связи с этим, в данной работе предлагается новая рецептура твердого топлива. Для обеспечения надежного воспламенения и стабиль-
ности горения в состав вводится катализатор бихро-мат калия. Повышенная теплота сгорания обеспечивается введением порошкообразного металла, графит играет роль технологической добавки, обеспечивающей лучшую прессуемость.
Исследовательская часть
Методом расчетов термодинамических параметров продуктов горения был выбран оптимальный состав твердого топлива, обеспечивающий повышенную теплоту сгорания и удельное газообразование, содержащий следующие компоненты, % мас.: нитрат аммония - 70, порошкообразный каучук - 12, бихромат калия - 5, металлический порошок - 10, графит - 3. Перед приготовлением составов были проведены исследования по определению химической совместимости компонентов. методом дифференциально-сканирующей калориметрии. Исследования показали, что компоненты - химически совместимы, состав термопластичного твердого топлива является термостабильным до 170 °С, то есть, до температуры начала разложения нитрата аммония.
Параметры безопасности исследуемого состава определяли по стандартным методикам. Нижний предел чувствительности к удару составил более 500 мм, частость 0%, чувствительность к тернию более 1500 МПа. Чувствительность к лучу огня составила 20 мм. Полученные результаты свидетельствует о высоком уровне безопасности состава.
Кривые прессуемости, представленные на рисунке 1 подтверждают эффективность технологической добавки - графита. При одинаковых давлениях прессования плотность прессовки с содержанием 3% графита в среднем на 0,02 г/см3 больше в диапазоне удельных давлений прессования 70-120 МПа. В ограниченных скважинных условиях повышенная плотность состава способствует увеличению удельного тепло- и газовыделения устройств, применяемых для прогрева пласта на основе энергонасыщенного материала.
Давление пресования, МПа
Рис. 1 - Зависимость плотности от давления прессования составов
Одной из важнейших характеристик твердых то-плив, применяемых в технологиях интенсификации
нефтеотдачи пластов, является скорость горения и ее зависимость от давления. Режим горения определяет характер воздействия продуктов горения на призабойную зону. При тепловой обработке скважин предпочтительная невысокая скорость горения и малая ее зависимость от давления. Малая скорость горения способствует медленному, но более полному прогреванию асфльтено-смолистых и парафиновых отложений, нарушению адгезионной связи этих отложений и выносу в ствол скважины. Зависимость скорости горения от давления определяли экспериментально в лабораторном стенде, описанном в работе [20] с применением регистрирующих модулей измерительного комплекса «Нейва10000» [21]. Сжигание прессованных образцов топлива осуществляли в атмосфере азота. Результаты исследование представлены в виде зависимости скорости горения от давления (рис. 2).
О 10 20 30 40 50 60 70 30 90 100 110 Давление, атм
Рис. 2 - Зависимость скорости горения от давления
Полученные результаты свидетельствуют о линейной корреляционной зависимости скорости горения от давления. При этом коэффициент зависимости, приблизительно равный 0,14, значительно меньше единицы. Скорость горения при давлении 100 атм. составляет около 20 мм/с. При снаряжении эти составом штатного устройства, применяемого для прогрева пласта, длиной 2 м время теплового воздействия на пласт в процессе эксплуатации устройства составит 1,5-2,0 минуты. Длительность воздействия в сочетании с повышенным тепловыделением (3998 кДж/кг), тепмературой горения (2251 К) и удельным газообразованием (1060 л/кг) можно предположить, что предложенная рецептура будет обладать большей эффективностью по сравнению со штатным составом термоисточника, имеющим соответственно следующие характеристики: теплота сгорания - 2150 кДж/кг, температура горения 1050 К, удельное газообразование 852 л/кг.
Заключение
В результате исследований предложена новая рецептура твердого топлива на основе порошкообразных эластомеров, предназначенная для снаряжения устройств, применяемых для тепловой обработки нефтяных скважин с целью интенсификации нефтеотдачи пластов. Результаты исследований показывают, что предложенная рецептура превосходит по термодинамическим параметрам продуктов горения штатный состав устройств. Предложенный состав, содержащий % мас.: нитрат аммония - 70, по-
рошкообразный каучук - 12, бихромат калия - 5, металлический порошок - 10, графит - 3, обладает хорошей прессуемостью, безопасен при переработке, хранении и эксплуатации. Также он обладает малой зависимостью скорости горения от давления, что позволяет проводить относительно длительную обработку в условиях повышенных забойных давлений.
Литература
1. А.А. Мокеев, А.П. Евдокимов, А.С. Сальников, Р.Ш. Гарифуллин, А.А. Марсов, М.Р. Файзуллина // Вестник технологического университета, 18, 4, 208-210 (2015).
2. Л.Х. Бадретдинова, И.Ф. Садыков, А.А. Мокеев, А.А. Марсов // Вестник Казанского технологического университета, 17, 7, 120-122 (2014).
3. А.С. Солдатова, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев, Д.А. Хадиева // Вестник Казанского технологического университета, 8, 104-111 (2010).
4. Р.Ш. Гарифуллин, В.М.Борисов, А.А. Мокеев, А.С. Сальников // Взрывное дело, № 107-64, 60-68 (2012).
5. Р.Ш. Гарифуллин, А.С. Сальников, В.Я. Базотов, В.М. Борисов // Вестник Казанского технологического университета, 15, 10, 254-255 (2012).
6. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов, А.А. Мокеев, А.С. Сальников // Взрывное дело, 106-63, 252-258 (2011).
7. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, Л.Х. Бадретдинова, А.П. Евдокимов, А.А. Марсов // Вестник Казанского технологического университета, 17, 15, 268-269 (2014).
8. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета, 15, 7, 174-176 (2012).
9. Р.Ш. Гарифуллин, А.С. Сальников, В.Я. Базотов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета, 16, 13, 46-47 (2012).
10. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов, А.С. Сальников, А.А. Мокеев, М.Р. Файзуллина // Вестник Казанского технологического университета, 17, 18, 186-188 (2014).
11. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов А.С. Сальников, А.А. Мокеев, М.Р. Файзуллина // Вестник Казанского технологического университета, 17, 18, 109-110 (2014).
12. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов А.С. Сальников, А.А. Мокеев, И.Д. Ахмадиев // Вестник Казанского технологического университета, 18, 21, 72-73 (2015).
13. А.А. Косарев, А.А. Мокеев, Д.К. Гильмутдинов, О.С. Шаклеина // Вестник технологического университета, 18, 17, 77-79 (2015).
14. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета,
15, 7, 168-170 (2012).
15. Д.М. Гагаркин, А.А. Мокеев, А.А. Марсов, И.Ф. Садыков, Н.А. Макарова // Вестник Казанского технологического университета, 15, 24, 122 (2012).
16. И.Ф. Садыков И.Ф., А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета,
16, 13, 190-192 (2013).
17. А.А. Мокеев, А.С. Солдатова, Л.Х. Бадретдинова, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов // Взрывное дело, №107-64, 49-59 (2012).
18. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета, 15, 6, 174-177 (2012).
19. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета, 15, 24, 126 (2012).
20. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, Л.Х. Бадретдинова, А.П. Евдокимов // Вестник Казанского технологического университета, 17, 15, 95-97 (2014).
21. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, С.В. Платонов, А.П. Евдокимов, Н.И. Торуткина // Взрывное дело, № 113-70, 183-190 (2015).
© А. С. Сальников - ассистент кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, lucifer21@yandex.ru; Р.Ш. Гарифуллин - доцент кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, rus-garifullin@yandex.ru; В. Я. Базотов -докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой технологии твердых химических веществ КНИТУ, bvja@kstu.ru; М.Р. Файзуллина - доцент кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, ttxb@kstu.ru; А.Н. Павлюхин - магистрант той же кафедры.
© A. S. Salnikov - assistant of the Department technology of solid chemical substances KNRTU, lucifer21@yandex.ru; R. Sh. Gari-fullin - associate Professor of the Department of technology of solid chemical substances KNRTU, rus-garifullin@yandex.ru; V. J. Bazotov - doctor. tech. Sciences, head of Department of technology of solid chemical substances KNRTU, full Professor, bvja@kstu.ru; M. R. Faizullina - associate Professor of the Department of technology of solid chemical substances KNRTU, ttxb@kstu.ru; A. N. Pavlyukhin - graduate student of the same Department.
