Термостойкий газогенерирующий состав для высокопрочных скважинных элементов

 

Изобретение относится к области создания газогенерирующих составов для твердотопливных элементов, сжигаемых в интервале обработки продуктивного пласта и обеспечивающих термогазохимическое, барическое и виброволновое воздействия на призабойную зону пласта с одновременной солянокислой обработкой. Техническим результатом является повышение эффективности обработки скважины. Газогенерирующий состав предназначен для изготовления цилиндрических канальных элементов повышенной прочности, его можно использовать в глубоких скважинах при температурах до +150°С. Термостойкий газогенерирующий состав содержит, мас.%: полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами 7-9, трансформаторное масло в качестве пластификатора 5,6-6,5, ароматическую аминокислоту 0,03-0,11, ароматический амин 0,01-0,06, стабилизатор горения – дисилицид титана 0,6-1,5, модификатор горения 0,2-0,3, добавка, снижающая показатель ν в законе скорости горения U=Рν, карбонат стронция 0,1-0,5, катализатор отверждения 0,01-0,1, аммоний хлорнокислый – остальное. 1 табл.

Изобретение относится к области создания термостойкого газогенерирующего кислотообразующего состава (ТГ-1) для твердотопливных элементов, предназначенного для термогазохимического, барического и виброволнового воздействий на призабойную зону пласта (ПЗП) с одновременной солянокислой обработкой его путем сжигания различных устройств из этих элементов в интервале обработки пласта с целью увеличения добычи нефти.

Топливные элементы изготавливают из баллиститных порохов и смесевых твердых топлив. Устройства, в которых используют такие ТГ-1, описаны в патенте РФ №207156, МКИ Е 21 В 43/26, 1994; №2151282, МКИ 7 Е 21 В 43/25, 1999; №2170339, МКИ Е 21 43/117, 43/263, 1999; №2176728, МКИ Е 21 В 43/25, 43/27, 2000.

Термогазохимическое и барическое воздействия на ПЗП приводят к образованию в горных породах остаточных трещин, разрушению в процессе предыдущей эксплуатации скважины водонефтяных барьеров, очистки прискважинной зоны от продуктов химических реакций и песчано-глинистых частиц, расплавлению асфальто-смоло-парафинистых отложений, снижению коэффициентов вязкости и поверхностного натяжения нефти на границе с водой.

Виброволновое воздействие - это дополнительный вид воздействия, усиливающий эффективность обработки скважины. Оно происходит в результате вибрационного горения канального элемента из газогенерирующего состава. При вибрационном горении в канале образуются высокочастотные волны давления, генерируемые в окружающую скважину породы.

Механизм виброволнового воздействия заключается в возбуждении резонансных колебаний отдельных частиц и блоков с выделением внутренней энергии напряженного состояния пород в виде вторичного акустического излучения. Первичные колебания из канала элемента в совокупности с этим излучением влияют на физико-химические свойства флюидов, вызывая изменения фильтрационных характеристик и структуры пластовой жидкости. В конечном итоге образуются дополнительные микротрещины, снижение степени неоднородности ПЗП и уменьшение вязкости пластовой нефти.

Кислотная обработка ПЗП приводит к увеличению притоков нефти за счет растворения некоторых ингредиентов пород, увеличения и очищения пор. Солянокислая обработка может быть осуществлена за счет горения топливного элемента непосредственно из состава, в качестве окислителя которого используют соли хлорных кислот, например аммония хлорнокислого (патент РФ №2176728, 2000).

Горючие компоненты в виде каучукоподобного связующего связывают этот окислитель. При сгорании ТГ-1 образуется соляная кислота в парообразном состоянии, масса ее составляет не менее 20% от массы состава.

Однако такой состав не позволяет изготовить высокопрочные элементы, сгорающие в глубоких скважинах при температурах свыше +120°С.

Наиболее близким аналогом является термостойкий высокопрочный газогенерирующий состав - твердое ракетное топливо, содержащее следующие компоненты (мас.%): полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами 5,03...7,1, полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами 0,4...0,53, ароматический амин 0,03...0,08, ароматическую аминокислоту 0,01...0,03, пластификаторы 4,5...6,2, алюминий дисперсный 0...20, катализатор отверждения до 0,1, остальное - аммоний хлорнокислый (патент РФ №2170722, 20.07.2001).

Состав при сгорании выделяет соляную кислоту, имеет повышенный уровень деформационных характеристик во всей области отрицательных температур при сохранении удовлетворительного уровня физико-механических характеристик в положительной области и обеспечивает работоспособность элементов при температурах до +60°С. Однако при более высоких температурах (до +150°С) оно не может использоваться для изготовления элементов с повышенной прочностью.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка термостойкого газогенерирующего состава, предназначенного для изготовления канальных элементов, горящих в вибрационном режиме, выделяющих соляную кислоту и обладающих достаточной прочностью при температурах до +150°С и давлениях до 80 МПа. Эти условия эквивалентны при обычных условиях при температуре 20°С значениям прочности и модуля упругости: σ₊₂₀, более или равного 9 кгс/см², Е_2%, более или равного 60 кгс/см², соответственно.

Разработка такого термостойкого газогенерирующего состава, с помощью которого можно осуществлять комплексное воздействие на ПЗП, позволит значительно повысить эффективность обработки скважин и, особенно, глубоких, а также при повышенных температурах.

Технический результат достигается тем, что термостойкий высокопрочный газогенерирующий состав, включающий аммоний хлорнокислый, полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами, пластификатор, ароматическую аминокислоту, ароматический амин, модификатор горения, катализатор отверждения, содержит в качестве пластификатора трансформаторное масло и дополнительно стабилизатор горения – дисилицид титана, добавку, снижающую показатель ν в законе скорости горения, - карбонат стронция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полидивинилизопреновый каучук

с концевыми эпоксидными группами 7...9

Трансформаторное масло 5,60...6,50

Стабилизатор горения –

дисилицид титана 0,60...1,50

Добавка, снижающая показатель

ν в законе скорости горения,

- карбонат стронция 0,10...0,50

Модификатор горения 0,20...0,30

Ароматическая аминокислота 0,03...0,11

Ароматический амин 0,01...0,06

Катализатор отверждения 0,01...0,1

Аммоний хлорнокислый Остальное

Для увеличения прочности состава на основе поливинилизопренового каучука с концевыми эпоксидными группами исключен полидивинилизопреновый каучук с концевыми карбоксильными группами и изменено соотношение отвердителей - ароматического амина 0,01...0,06 мас.% и ароматической аминокислоты 0,03...0,11 мас.%.

Термостойкость состава повышается при использовании в качестве пластификатора трансформаторного масла 5,6...6,5 мас.%, а улучшение его физико-механических характеристик осуществляется увеличением количества полидивинилизопренового каучука с концевыми эпоксидными группами до 7...9 мас.%. В композицию для ускорения отверждения может быть введен и катализатор отверждения до 0,1 мас.%.

Для регулирования скорости горения U и устранения ее нерасчетного увеличения при давлениях свыше 150 кгс/см² использовали модификаторы и добавки, снижающие показатель степени ν в законе скорости горения U=Рν.

Количество стабилизатора, необходимого для обеспечения вибрационного горения достаточного уровня, составляет 0,6...1,5 мас.%.

Основной компонент, приводящий к появлению соляной кислоты при горении состава, является аммоний хлорнокислый (перхлорат аммония). В композицию он вводится в порошкообразном виде.

В таблице приведены примеры реализации на образцах предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом, а также характеристики образцов с содержанием компонентов за пределами заявляемого соотношения. Из примеров 1, 2, 3, 4 таблицы следует, что исключение полибутадиенового каучука с концевыми карбоксильными группами и изменение соотношения ароматического амина и ароматической аминокислоты в композиции на основе полидивинилизопренуретанового каучука с концевыми эпоксидными группами позволяет получить высокопрочный материал σ₊₂₀=9...20 кгс/см² и Е_2%=60...320 кгс/см² при сохранении удовлетворительного уровня эластичности в диапазоне температур ±50°С.

Примерами 1, 2, 3, 4 показано, что изменяя соотношение между ароматическим амином и ароматической аминокислотой, можно регулировать механические свойства состава в широких пределах. Превышение до 0,11% ароматической кислоты дает хрупкую композицию (пример 2), меньше 0,03% - низкий уровень прочностных характеристик (пример 1). Поэтому исходя из данных таблицы содержание ароматической аминокислоты выбирается в пределах 0,03...0,11 мас.%, а ароматического амина 0,01...0,06 мас.%. Подобное соотношение между количеством ароматической аминокислоты и ароматическим амином дает необходимый уровень механических (прочностных) свойств состава.

При использовании карбоната стронция в газогенерирующем составе в количестве от 0,10 до 0,50 показатель ν в законе горения снижается с 1,00...1,20 до 0,48...0,82 в диапазоне давлений от 4 до 25 МПа. Увеличение скорости горения состава до заданного уровня обеспечивается использованием оксида железа. Для стабилизации горения газогенерирующего заряда в состав вводится дисилицид титана в пределах 0,60...1,50%.

Предлагаемый состав отработан на опытных образцах в лабораторных условиях с положительным результатом, σ₊₂₀ более или равно 9,4 кгс/см² и Е⁺²⁰_2% более или равно 61 кгс/см², что предполагает обеспечение работоспособности предъявленной композиции при температуре +150°С.

Формула изобретения

Термостойкий высокопрочный газогенерирующий состав, включающий аммоний хлорнокислый, полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами, пластификатор, ароматическую аминокислоту, ароматический амин, модификатор горения, катализатор отверждения, отличающийся тем, что он содержит в качестве пластификатора трансформаторное масло и дополнительно - стабилизатор горения - дисилицид титана, добавку, снижающую показатель ν в законе горения, - карбонат стронция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полидивинилизопреновый каучук

с концевыми эпоксидными группами 7...9

Трансформаторное масло 5,60...6,50

Стабилизатор горения –

дисилицид титана 0,60...1,50

Добавка, снижающая показатель

ν в законе скорости горения,

- карбонат стронция 0,10...0,50

Модификатор горения 0,20...0,30

Ароматическая аминокислота 0,03...0,11

Ароматический амин 0,01...0,06

Катализатор отверждения 0,01...0,1

Аммоний хлорнокислый Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1