ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ГОРЕНИЯ ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИХ СОСТАВОВ В УСЛОВИЯХ, ИМИТИРУЮЩИХ СКВАЖИНУ

STUDY OF COMBUSTION PATTERNS OF GAS GENERATING COMPOSITIONS IN CONDITIONS SIMULATING A WELL

Yaroslava Pavlova

Engineer-technologist of energy-saturated materials and products,

Russia, Kazan

Alexander Mokeev

Associate Professor of the Department of "TTXV", Candidate of Technical Sciences KNRTU,

Russia, Kazan

Alexey Petrov

Engineer of the 2nd category of the department of "TTXV", postgraduate student of the Department of "TTXV" KNRTU,

 Russia, Kazan

Alexander Lachugin

Engineer of the 1st category of the department of "TTXV", postgraduate student of the Department of "TTXV" KNRTU,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В нефтегазодобывающей промышленности при выполнении ремонтно-восстановительных работ в скважинах используют аппаратуру, работающую на энергии сгорания специальных газогенерирующих зарядов. К такой аппаратуре относят посадочные модули взрывных шлипсовых пакеров. Энергонасыщенные материалы, из которых изготавливаются такие заряды, имеют прямую зависимость скорости сгорания от скважинного давления. В работе выполнены исследования закономерностей горения нового разработанного энергонасыщенного материала, позволяющего усовершенствовать технологии проведения ремонтно-восстановительных работ. Проведены сравнительные эксперименты предложенного и штатного энергонасыщенных материалов в стендовых условиях, имитирующих скважинные условия путем создания уровня давления, характерного для работы посадочного модуля шлипсового пакера. Установлены значения линейной и массовой скоростей горения энергонасыщенных материалов. Новый разработанный энергонасыщенный материал сгорает со средней линейной скоростью 8,47 мм/с, что более чем в 7 раз меньше по сравнению со штатным энергонасыщенным материалом.

ABSTRACT

In the oil and gas industry, when performing repair and restoration work in wells, equipment powered by the combustion energy of special gas-generating charges is used. Such equipment includes the landing modules of explosive slip packers. The energy-saturated materials from which such charges are made have a direct dependence of the combustion rate on the borehole pressure. The research of the gorenje patterns of the newly developed energy-saturated material, which allows improving the technology of repair and restoration work, is carried out. Comparative experiments of the proposed and standard energy-saturated materials have been carried out under bench conditions simulating downhole conditions by creating a pressure level characteristic of the operation of the lander of a slip packer. The values of linear and mass gorenje burning rates of energy-saturated materials are established. The newly developed energy-saturated material burns at an average linear velocity of 8.47 mm/s, which is more than 7 times less than the standard energy-saturated material.

Ключевые слова: посадочный модуль, взрывной шлипсовый пакер, запас прочности, эксплуатационный ресурс, ремонт нефтяных скважин, газогенерирующий состав, энергонасыщенный материал.

Keywords: landing module, explosive slip packer, safety margin, operational life, oil well repair, gas-generating compound, energy-saturated material.

Одним из распространенных инструментов, применяемых в технологиях ремонтно-восстановительных работ в нефтяных скважин, является шлипсовый пакер. Потребность в данном инструменте растет с каждым годом в связи с активным использованием горизонтальных скважин, где внедряются технологии многостадийного гидроразрыва пласта и системы Plug@Perf. В данной технологии предполагается временная изоляция нефтяных пластов друг от друга с помощью шлипсовых пакеров. А количество пакеров, которые используются для реализации технологии, может исчисляться десятками [1,2].

Для установки шлипсового пакера в стволе скважины используется специальный инструмент – посадочный модуль, который работает на энергии продуктов горения порохового заряда [3]. Посадочный инструмент соединяется с пакером при помощи шпильки, разрыв которой свидетельствует об окончании процесса установки пакера. После чего посадочный модуль извлекается наружу и может быть использован повторно.

Однако у данной технологии есть свои недостатки, к которым относят необходимость тщательной очистки, подготовки и сборки узлов посадочного модуля перед каждым использованием. Это связано с загрязнениями веществами скважинной среды и продуктами горения зарядов. Также при работе пороховых зарядов элементы конструкции посадочного модуля претерпевают необратимые деформации, имеющие допустимый порог. В результате чего посадочный модуль имеет ограниченный ресурс эксплуатации – не более 5 посадок.

Для увеличения эксплуатационного ресурса посадочного модуля шлипсового пакера был разработан твердотопливный состав, обладающим плавным ростом давления при своем сгорании по сравнению с пороховыми зарядами [3,4]. По результатам исследований удалось добиться увеличения ресурса посадочного модуля в 4 раза. Однако недостатки технологии перечисленные выше сохранились.

Для их устранения были созданы конструкции шлипсового пакера с одноразовым [5] или встроенным [6,7] посадочным модулем. Но в данных конструкциях не учтены особенности горения газогенерирующих зарядов при высоких давлениях, что привело к тому, что разработки не нашли широкого применения.

При исследовании закономерностей горения энергонасыщенных материалов очень важно обращать внимание на зависимость скорости их горения от давления окружающей среды. Это связано с тем, что стандартная смесь энергонасыщенного материала содержит окислитель и горючее. Также стоит отметить, что чем больше количество газов, выделяющихся из единицы горения энергонасыщенного материала, и температура горения, тем больше зависимость скорости горения от давления.

Удельное газообразование является одной из важнейших характеристик при разработке энергонасыщенных материалов для посадочного модуля. Сложность создания конструкции одноразового или встроенного посадочного модуля состоит в том, что при избыточном значении удельного газообразования корпус устройства может разрушиться из-за сокрушительного действия ударной волны или высокого внутреннего давления газов, которое превосходит прочностные характеристики материала изготовления элементов шлипсового пакера и посадочного модуля.

В настоящей работе предложен новый разработанный энергонасыщенный материал, который обладает меньшим удельным газообразованием по сравнению с применяемыми ныне стандартными энергонасыщенными материалами. Также к преимуществам нового материала относится малая скорость горения в условиях скважинных давлений, близких по значению к работе посадочной камеры (порядка 1000 кгс/см²). В состав материала входит аммонийная соль азотной кислоты в качестве окислителя и политетрафторэтилен, смола перхлорвиниловая марки ПСХ-ЛС в качестве горючих-связующих компонентов.

Термодинамические параметры продуктов горения энергонасыщенных материалов были рассчитаны с помощью программы «TERMO» и представлены в таблице 1. В расчетах получены следующие параметры: удельное газообразование V, температура горения T, удельная теплота сгорания Q.

Таблица 1.

Расчетные характеристики продуктов горения

Исследование характеристик горения предложенного нового ЭНМ выполнялось в стендовой установке, имитирующей скважинные условия. Схема стендовой установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема стендовой установки

1 – электрическая линия, 2, 9 – крышка, 3, 8 – пробка, 4 – предохранительный клапан, 5 – сосуд для образца «колокол», 6 – образец, 7 – корпус установки, 10 – пьезоэлектрический датчик, 11 – вентиль для сброса давления, 12 – регистрирующая аппаратура, 13 – пусковое устройство

Стендовая установка постоянного объема состоит из толстостенного цилиндрического сосуда внутренним диаметром 122 мм и высотой 1200 мм с полным объемом камеры 13,6 литра для размещения и сжигания образцов в жидкой среде.

На боковой поверхности сосуда имеется отверстие для пьезоэлектрического датчика давления марки РСВ. Электрическая цепь датчика давления соединена с усилителем электрических сигналов типа и аналогово-цифровым преобразователем электрических сигналов для регистрации изменения давления во времени в процессе горения испытуемого состава ЭВМ и программный комплекс L-graph.

Опытный образец в «колоколе» (имитатор внутреннего объема посадочной камеры) в сосуде закрепляется на держателе. «Колокол» необходим для герметизации заряда от воды и имитации работы заряда внутри устройства. Сосуд заполняется водой до определенного уровня и герметизируется пробкой и крышкой.

В процессе горения на ЭВМ регистрируется изменение давления во времени, по которой производится оценка скорости горения состава, интенсивности и скорости газообразования и др.

Для исследования были изготовлены цилиндрические образцы ЭНМ, формируемые методом глухого прессования и имеющие слоевую структуру (например, 1-й слой штатный ЭНМ, 2-й слой новый ЭНМ). Воспламенение образцов осуществляется путем подачи электрического импульса на головку электроввода установки, к которой крепилась навеска воспламенительного состава массой 5 г.

Типичная кривая горения представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Кривая зависимости давления от времени горения

На полученных кривых можно выделить области роста давления создаваемого продуктами горения штатного и нового ЭНМ, а также продолжительность процессов горения каждого из слоев. Зная массово-габаритные характеристики слоев исследуемых образцов ЭНМ и время их горения можно вычислить их скорость горения в определённых диапазонах давлений. В таблице 2 представлены результаты экспериментов, в которых определены значения линейной скорости горения U_ср (мм/с) и массовой скорости горения Um_cр (г/с).

Таблица 2.

Результаты экспериментов

По результатам исследования видно, что оба состава имеют закономерность роста линейной и массовой скоростей горения с ростом давления. Однако в схожих условиях абсолютные значения скорости горения нового ЭНМ значительно меньше аналогичного параметра штатного ЭНМ. Это означает меньшую вероятность перехода с ростом давления режима послойного стационарного горения в режим детонации с формированием мощных ударных волн, разрушающих конструкцию посадочного модуля.

Реальный уровень давления в посадочной камере достигает 1060 кгс/см², что невозможно достичь при исследованиях в данной установке. Это связано с тем, что в процессе эксперимента открывался клапан в имитаторе внутреннего объема посадочной камеры («колокол»), и продукты горения истекали в жидкую среду, которой наполнен стенд. В результате чего температура образующихся газов резко снижалась, и падало давление продуктов горения. А в реальных условиях продукты горения не имеют контакта со скважинной жидкостью вплоть до момента установки шлипсового пакера. Для полной оценки скорости горения нового разработанного ЭНМ рекомендуется провести дальнейшие эксперименты в условиях повышенных давлений, близких к реальному достигаемым.

По результатам проведенных экспериментов было установлено, что разработанный новый ЭНМ обладает меньшей скоростью горения и меньшей зависимостью скорости горения от давления по сравнению со штатным ЭНМ, применяемым для работы в составе посадочного модуля шлипсовых пакеров. Это открывает пути разработки перспективных конструкций шлипсовых пакеров со встроенным посадочным модулем.

Список литературы:

1. Файзуллин И.Г., Пичугин М.Н. Технологические подходы к реализации многостадийных ГРП на низкопроницаемых коллекторах» // ООО «Газпромнефть НТЦ», 2017.
2. Якуба А.Н., Харькин А.А., Лозовой А.А., Николайчик Э.Н., Рыляков В.А. Технология Plug@Perf: Оборудование, технические решения и опыт применения // НТВ «Каротажник». – Тверь: Изд. АИС. 2020. – Вып. 5 (305). – С. 82-106.
3. Павлова Я.О., Мокеев А.А., Петров А.С. Оценка эксплуатационного ресурса посадочного модуля взрывного шлипсового пакера // Взрывное дело. – 2024. № 142-99. –  С. 89- 102
4. Мухаммадиев А.Г., Сальников А.С. Разработка конструкции посадочной пневмокамеры шлипсового пакера, с повышенным эксплуатационным ресурсом. СТУДЕНТ ГОДА 2021 // Международный учебно-исследовательский конкурс в 6-ти частях. Петрозаводск. – 2021. – С. 48-56.
5. Матросов А.Е., Горбунов О.Б. Самоустанавливающийся пакер // Патент России №227974 U1, 09.08.2024.
6. Харролд Д. Оуэн-старший. Самоустанавливающийся мостовой пакер // Патент US7017672, 28.04.2004.
7. Роберт К. Андрес, Деррек Ди Друри. Самоустанавливающаяся полнопроходная заглушка для гидроразрыва пласта // Патент US10443331, 27.12.2018.