газогенерирующая композиция для активации нефтедобывающих скважин и способ изготовления зарядов
Классы МПК: | C09K8/60 составы для стимулирования производства путем воздействия на подземную формацию |
Автор(ы): | Матвеев Алексей Алексеевич (RU), Шишов Николай Иванович (RU), Сидоров Владимир Михайлович (RU), Милехин Юрий Михайлович (RU), Меркулов Владислав Михайлович (RU), Курочкин Рудольф Серафимович (RU), Меркулов Александр Алексеевич (RU), Бабышева Нина Николаевна (RU), Козлов Владимир Алексеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный центр двойных технологий "Союз" (ФГУП "ФЦДТ "Союз") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-07-05 публикация патента:
20.06.2008 |
Газогенерирующая композиция предназначена для активации нефтедобывающих скважин путем воздействия на них избыточных давлений и высоких температур. Газогенерирующая композиция для активации нефтедобывающих скважин, включающая, мас.%: эпоксидное связующее 12,0-22,0, мелкодисперсный алюминий 0,5-20,0, отвердитель - изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид 3,0-7,0, окислитель - перхлорат калия, нитрат калия остальное. Способ изготовления зарядов из указанной композиции включает перемешивание компонентов и прессование под небольшим давлением в формующей оснастке, выполненной в виде полуцилиндров, скрепляемых перед заполнением указанной композицией и разбираемых после ее отверждения. Технический результат - повышение объема газа при горении, термической устойчивости и пожаро-взрывобезопасности композиции. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Формула изобретения
1. Газогенерирующая композиция для активации нефтедобывающих скважин, включающая эпоксидное связующее, окислитель, отвердитель, мелкодисперсный алюминий, отличающаяся тем, что она содержит в качестве отвердителя изометилтетрагидрофталевый ангидрид, а в качестве окислителя - перхлорат калия, нитрат калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Эпоксидное связующее | 12,0-22,0 |
Мелкодисперсный алюминий | 0,5-20,0 |
Изометилтетрагидрофталевый ангидрид | 3,0-7,0 |
Перхлорат калия, нитрат калия | остальное |
2. Способ изготовления зарядов из композиции по п.1, включающий перемешивание компонентов и прессование под небольшим давлением в формующей оснастке, выполненной в виде полуцилиндров, скрепляемых перед заполнением указанной композицией и разбираемых после ее отверждения.
Описание изобретения к патенту
В процессе строительства и эксплуатации нефтяных скважин происходит загрязнение прискваженной зоны пласта компонентами буровых и тампонажных растворов, солевыми отложениями, асфальтосмолистыми веществами и другими твердыми частицами, вызывающими ухудшение фильтрационных свойств горных пород и снижение дебитов скважин и рентабельности их эксплуатации. В связи с наблюдаемым падением дебита скважин вопросы интенсификации добычи углеводородного сырья приобретают решающее значение и требуют создания широкого спектра аппаратов и технологий, направленных на восстановление дебита скважин за счет увеличения проницаемости пласта.
В качестве источника энергии для функционирования разрабатываемых аппаратов и их узлов необходимы заряды газогенерирующих композиций, создающих при их горении высокие температуры и требуемые избыточные давления.
Известны многочисленные разработки конструкций газогенераторов и зарядов для них (пат. РФ №2138630 от 29.03.99; пат. РФ №2197612 от 04.09.2000; пат. РФ №2204706 от 26.06.2002; пат. РФ №2249686 от 30.07.2003 и др.).
В качестве материалов зарядов газогенераторов получили распространение композиции, включающие окислитель, горючее связующее и (при необходимости) различные модифицирующие добавки (ускорители отверждения, катализаторы горения и др.).
Из окислителей известна аммиачная селитра (пат. РФ №2221140 от 22.10.2001). Однако она обладает нежелательным свойством изменять свой объем в составе композиции при использовании в широком температурном диапазоне (от минус 50°С до 80°С и выше), что может привести к растрескиванию заряда, следовательно, нарушению расчетного режима горения. Кроме того, в составе такой композиции в качестве катализатора горения использован экологически опасный компонент бихромат калия (по классификации токсичности 1 класс опасности).
Известны также в составе рассматриваемых композиций перхлораты аммония и калия (пат. РФ №2197612 от 04.09.2000).
Перхлорат аммония имеет более низкую термостойкость (температура разложения около 240°С), чем перхлорат калия (температура разложения 680°С).
Известно использование нитрата калия в пожаротушащих аэрозольных составах (пат. РФ №2157271, МПК А62D 1/00, 1/06 от 29.11.1999), где нитрат калия предназначен для образования пожаротушащего аэрозоля.
В качестве основы связующих для газогенераторов используются различные олигомерные и полимерные соединения (эпоксидные смолы, углеводородные каучуки и другие).
Из существующего уровня техники известна газогенерирующая композиция, включающая, мас.%: термит железоокисный 61-63, окислитель - нитрат бария 29-31, мелкодисперсный алюминий 2,9-3,1, эпоксидная смола с отвердителем - полиэтиленполиамином (10:1) 4,8-5,2. (Пат. РФ №2138630, 27.09.1999).
Указанная композиция по числу совпадающих признаков является наиболее близким аналогом к заявляемой. Недостатками состава по прототипу являются:
1. Невозможность создания требуемых избыточных давлений в скважинах для решения ряда технических задач вследствие высокого содержания окислов железа, бария, алюминия (не менее 75%) в продуктах сгорания, недостаточный объем газов. 2. Применение в качестве отвердителя эпоксидной смолы полиэтиленполиамина, что препятствует изготовлению большого количества зарядов газогенераторов в одной партии или крупногабаритных зарядов вследствие быстрого отверждения композиции (2-3 часа) при 20°С.
Технической задачей изобретения является создание высокотехнологичной газогенерирующей композиции с повышенным объемом газов при горении, термически устойчивой и пожаро-взрывобезопасной. Для ее решения предлагается применение перхлората калия или нитрата калия, мелкодисперсного алюминия, эпоксидных материалов (эпоксидные смолы различных марок, эпоксидированный полиэфируретановый каучук, эпоксисодержащие полиэфиры). Тип и марка эпоксидного материала определяет необходимые механические характеристики композиции и не влияет на сущность изобретения в рамках заявляемой формулы изобретения. Отвердителями эпоксидных материалов, обеспечивающих их более высокую термическую стабильность, являются не амины, заявленные в прототипе, а ангидриды. Известны в качестве отвердителей фталевый, малеиновый ангидриды, а также дициандиамид, представляющие собой твердые вещества.
Авторами в качестве отвердителя предлагается изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (ИМТГФА), являющийся в отличие от известных легкоподвижной жидкостью, которая одновременно в заявляемой композиции выполняет роль пластификатора. Поскольку ИМТГФА при изготовлении зарядов вступает во взаимодействие с эпоксидными материалами, то, в отличие от применяемых пластификаторов, не обладает летучестью даже в жестких температурных условиях (170°С).
Предлагаемая неотвержденная газогенерирующая композиция может храниться при комнатной температуре до 20 суток без потери технологических свойств. При высокой температуре композиция отверждается в течение нескольких часов.
Эти свойства композиции являются весьма важными при массовом производстве зарядов или в случае перерыва в технологическом процессе. Возможно изготовление неотвержденной массы композиции в больших смесителях и расходование ее по мере необходимости.
Состав и свойства заявленных вариантов и прототипа приведены в таблице. Композиции вариантов №3 и 6 не горят при атмосферном давлении, что свидетельствует об их полной эксплуатационной безопасности.
Из таблицы следует, что предлагаемая газогенерирующая композиция имеет широкий диапазон температур горения для использования в газогенераторах, предназначенных для различных целей и условий работы, улучшенные характеристики по термостойкости и чувствительности к механическим воздействиям и соответствует классу 4.1 (наиболее безопасному) по международной классификации опасных грузов.
Таблица | |||||||
Содержание компонентов в заявленных вариантах и в прототипе, мас.%, значения характеристик | |||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Прототип | |
Термит железоокисный | - | - | - | - | - | - | 61...63 |
Перхлорат калия | 67,3 | 78,8 | - | 57,8 | 67,8 | - | |
Нитрат калия | - | - | 75 | - | - | 70 | - |
Нитрат бария | - | - | - | - | - | - | 29-31 |
Мелкодисперсный алюминий | 10 | 0,5 | 10 | 20 | 10 | 5 | 2,9-3,1 |
Эпоксидное связующее | 18,7 | 17,7 | 12,0 | 15,2 | 18,2 | 22,0 | 4,8-5,2 |
Отвердитель | Изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид | Полиэтиленполиамин | |||||
4 | 3 | 3 | 7 | 4 | 3 | 0,45-0,55 | |
Температура горения, К | 2900 | 2400 | 2600 | 2800 | 3200 | 1900 | 2800...3000 |
Объем газов, л/кг | 180 | 250 | 200 | 150 | 250 | 200 | 50-80 |
Температура начала интенсивного разложения, °С | 240 | 240 | >300 | >300 | >300 | >300 | >300 |
Чувствительность к удару, Но, мм при грузе 10 кг | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 |
Чувствительность к трению, Ро, кгс/см 2 | 3025 | 2180 | >3025 | 2180 | 3025 | >3025 | 3025 |
«Живучесть» массы при 20°С, сут. | >20 | >20 | >20 | >20 | >20 | >20 | 2...3 часа |
Композиция обладает уникальными теханологическими характеристиками (большая «живучесть» неотвержденных масс в сочетании с коротким временем отверждения изделий).
Обоснование нижних и верхних пределов содержания компонентов в композиции:
1. Эпоксидное связующее. При содержании его ниже 12% композиция не обладает достаточной прочностью, а свыше 22% - композиция имеет недостаточные энергетические характеристики (низкая температура горения, образование несгоревших шлаков).
2. Изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид. При содержании его ниже 3% отверждение композиции неполное (липкость и повышенная эластичность), свыше 7% - избыток отвердителя не вступает в химическую реакцию взаимодействия с эпоксидными смолами и находится в составе в виде отдельной фазы, что может привести к образованию пористой структуры заряда при его эксплуатации при высоких температурах - (150...170)°С.
3. Мелкодисперсный алюминий, как стабилизатор горения, при содержании менее 0,5% неэффективен (при горении композиции возникают акустические колебания, которые могут привести к разрушению конструкции), при содержании его выше 20% наблюдается неполное сгорание и образование при горении большого количества шлака, состоящего из агломератов оксида алюминия и несгоревшего алюминия.
Предлагаемый способ изготовления зарядов газогенерирующей композиции.
В смеситель необходимой емкости, снабженный лопастными или винтовыми мешалками, загружается эпоксидное связующее, отвердитель, порошок алюминия. Смесь перемешивается 5-10 минут при (20-30)°С, затем в смеситель загружается окислитель в 3 приема, после чего смесь перемешивается в течение 60-120 минут, выгружается и запрессовывается под небольшим давлением (2-5 кгс/см2) в формующую оснастку с последующим отверждением зарядов.
Так как эпоксидные композиции имеют высокую адгезию к большинству материалов, выталкивание зарядов из форм может вызвать определенные трудности и снизить взрывобезопасность производства даже при подборе оптимальных материалов форм (например, фторопласт).
Авторами для повышения безопасности извлечения зарядов из формующей оснастки и исключения приспособлений для их выталкивания предлагается запрессовывать неотвержденную массу в предварительно скрепленные тем или иным способом полуцилиндры. После отверждения зарядов полуцилиндры разъединяются, извлечение зарядов производится без затруднений.
Опытные заряды из предлагаемой газогенерирующей композиции прошли испытания в реальных нефтедобывающих скважинах при давлении 30 МПа и температуре 150°С с положительным результатом.
Источники информации
1. Оф. Б. «Изобретения», №6, 1998 г.
2. Оф. Б. «Изобретения, полезные модели», №6, 2005 г.
3. Справочник по пластическим массам, том II, изд. «Химия», 1969 г., стр.80-85.
4. Г.А.Нишпал, Ю.М.Милехин и др. «Теория и практика взрывобезопасности энергоемких материалов», М., 2002 г., стр.120-122.
Класс C09K8/60 составы для стимулирования производства путем воздействия на подземную формацию