Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в пласте (варианты)

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и, в частности, к кумулятивным перфораторам и пороховым генераторам давления, применяемым в скважинах. Обеспечивает увеличение эффективности перфоратора и увеличение размеров каналов в колоннах и создания дополнительных трещин в прилегающей к скважине зоне. Сущность изобретения: устройство содержит соединенный с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества. Он образует при детонации кумулятивные струи. Имеется пороховой генератор давления с твердотопливными элементами. Твердотопливные элементы порохового генератора давления расположены между кумулятивными зарядами взрывчатого вещества или около зарядов взрывчатого вещества, соприкасаясь с ними. Твердотопливные элементы могут быть расположены в нижней части устройства вместо груза или части этого груза. При этом твердотопливные элементы не пересекают оси кумулятивных струй и выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (20...40) : 1. Содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента составляет не более 1,5%. В других вариантах устройства длина и диаметр центрального канала связаны другими соотношениями. Кроме того, в других вариантах приведено другое содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента. В других вариантах приведено и другое размещение составных частей устройства и их выполнение. 4 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и, прежде всего, к кумулятивным перфораторам и пороховым генераторам давления, применяемым в скважинах.

Кумулятивные перфораторы предназначены, в основном, для вскрытия продуктивного пласта через спущенную и зацементированную обсадную колонну, а также для прострела стенок бурильной колонны для восстановления циркуляции промывочной жидкости в случае прихвата инструмента и создания сети отверстий в стенках обсадных колонн при повторном цементировании. Они также предназначены для создания каналов в горных породах, слагающих продуктивный пласт.

Действие кумулятивных перфораторов основано на способности кумулятивной струи, образуемой при детонации взрывчатого вещества с облицованной выемкой, пробивать отверстия или каналы в различных преградах. Такая струя при вскрытии пласта прожигает необходимые отверстия и образует канал в призабойной зоне пласта.

Пороховые генераторы давления предназначены, в основном, для обработки скважин путем сжигания твердотопливных зарядов, входящих в эти устройства, в интервале обработки продуктивного пласта по месту перфораций, созданных предварительно кумулятивными перфораторами. Пороховые генераторы давления используются и для других целей. Действие их связано с термогазохимическим воздействием на призабойную зону, в результате чего в ней происходят также структурные изменения, которые впоследствии приводят к увеличению дебета скважины по жидкости к нефти на достаточно длительный промежуток времени.

Известен прототип - способ и устройство для перфорации скважин и трещинообразования в пласте (патент US N 5355802, МПК 42 В 3/300, 1994).

Сущность рассмотренного способа и устройства заключается в следующем. Срабатывание кумулятивного перфоратора, смонтированного на одном устройстве с твердотопливными элементами, представляющими собой пороховые генераторы давления, происходит после начала горения последних. При детонации кумулятивный эффект усиливается за счет предварительно накопленных в скважине продуктов горения, а после детонации происходит дополнительное термогазохимическое воздействие одних продуктов сгорания. При этом, в целом, возникает двойной эффект - воздействие кумулятивной струи и продуктов сгорания от разных по способу воздействия на пласт устройств. Вследствие этого расширяются не только отверстия в трубах и обсадных колоннах, но также расширяются каналы и появляются дополнительные трещины в породах.

Однако эффективность рассматриваемых способа и устройства можно значительно увеличить, если топливные элементы порохового генератора давления заставить гореть в вибрационном и/или пульсирующем режимах, при которых дополнительно к термогазохимическому воздействию будет также осуществляться виброволновое воздействие.

Вибрационный режим имеет место только для канального топливного элемента с определенным отношением длины канала к его диаметру и определенным количеством наполнителя-стабилизатора горения. Он характеризуется появлением высокочастотных, порядка нескольких килогерц, акустических волн, существующих в полости канала топливного элемента. При пульсирующем горении возникают волны с частотами менее одного герца.

Известно устройство, которое позволяет создать вибрационный и/или пульсирующий режимы горения (патент РФ N 2071556, 1994 г.). Устройство позволяет осуществлять виброволновое воздействие на прискважинную зону за счет горения топливного элемента.

Виброволновое воздействие характеризуется появлением вторичного акустического излучения, которое приводит к таким структурным изменениям горных пород, окружающих скважину, при которых возрастает добыча нефти и газа.

В процессе горения топливного элемента общее влияние термогазохимического и виброволнового воздействия увеличивается. При этом уменьшение первого вида воздействия (за счет перераспределения постоянной составляющей энергии, выделяющейся при сгорании топливного элемента на переменную составляющую энергии) будет меньше по сравнению с повышением второго вида воздействия. Добавим, что одна и та же энергия легче и дальше передается в различные среды, если она имеет переменную составляющую.

Задачей изобретения является увеличение эффективности устройства, имеющего в своем составе кумулятивный перфоратор и пороховой генератор давления, за счет расширения отверстий в трубах и колоннах, увеличения размеров каналов и создания дополнительных трещин в прилегающей к скважине зоне.

Задача решается за счет того, что: по первому варианту: Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, содержащее соединенные с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества, образующего при детонации кумулятивные струи, и пороховой генератор давления с твердотопливными элементами, твердотопливные элементы порохового генератора давления расположены между кумулятивными зарядами взрывчатого вещества или около зарядов взрывчатого вещества, в том числе, соприкасаясь с ними, или в нижней части устройства вместо груза или части этого груза, при этом твердотопливные элементы не пересекают оси кумулятивных струй и выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента составляет не более 1,5%.

По второму варианту: Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, содержащее соединенные с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества, образующего при детонации кумулятивные струи, и пороховой генератор давления с твердотопливными элементами, твердотопливные элементы порохового генератора давления расположены между кумулятивными зарядами взрывчатого вещества или около зарядов взрывчатого вещества, в том числе соприкасаясь с ними, или в нижней части устройства вместо груза или части этого груза, при этом твердотопливные элементы не пересекают оси кумулятивных струй и выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (40...120):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента составляет не более 0,6%, причем перпендикулярно к центральному круглому каналу твердотопливных элементов выполнены ряды поперечных отверстий под прямым углом друг к другу.

По третьему варианту: Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, содержащее соединенные с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества, образующего при детонации кумулятивные струи, и пороховой генератор давления с твердотопливными элементами, твердотопливные элементы порохового генератора давления выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом и произвольно выполненными, с пересечением или непересечением центрального канала, поперечными отверстиями, совпадающими с осями кумулятивных струй, при этом твердотопливные элементы расположены около зарядов взрывчатого вещества и пересекаются с осями кумулятивных струй, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента составляет не более 1,5%.

По четвертому варианту: Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, содержащее соединенные с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества, образующего при детонации кумулятивные струи, и пороховой генератор давления с твердотопливными элементами, твердотопливные элементы порохового генератора давления выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом и поперечными сквозными отверстиями, выполненными под прямым углом друг к другу, перпендикулярно к центральному каналу, причем оси одной из пар которых совпадают.

На фиг. 1-4 показано расположение зарядов взрывчатого вещества кумулятивных перфораторов и твердотопливных элементов пороховых генераторов давления относительно друг друга в скважине.

Стрелками показано направление кумулятивных струй при детонации зарядов взрывчатого вещества к стенкам скважины.

На фиг. 1 показаны три случая расположения зарядов взрывчатого вещества относительно твердотопливных элементов, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения в них составляет не более 1,5%. Твердотопливные элементы располагаются между кумулятивными зарядами, не соприкасаясь с ними, около зарядов, соприкасаясь с ними и в нижней части устройства. Кумулятивные струи нигде не пересекают твердотопливные элементы.

На фиг. 2 показаны три случая расположения зарядов взрывчатого вещества относительно твердотопливных элементов, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (40...120):1, а содержание наполнителя-стабилизатора в них составляет не более 0,6%. Твердотопливные элементы имеют ряды поперечных сквозных отверстий под прямым углом друг к другу в одной плоскости. Расположение элементов относительно зарядов такое же, как на фиг. 1.

На фиг. 3 показано прохождение кумулятивных струй по поперечным сквозным отверстиям твердотопливных элементов, расположенных около зарядов взрывчатого вещества, при содержании в них наполнителя-стабилизатора не более 1,5%. Вверху кумулятивная струя проходит по радиальным отверстиям и ее ось пересекает ось твердотопливного элемента. Внизу струя проходит по отверстию с выходом в центральный канал. Ее ось не пересекает ось элемента.

На фиг. 4 показано прохождение кумулятивных струй по осям поперечных сквозных радиальных отверстий твердотопливных элементов. При этом под прямым углом к этим отверстиям имеются такие же отверстия в той же плоскости, а твердотопливные элементы расположены около зарядов взрывчатого вещества, а содержание в них наполнителя-стабилизатора горения не более 0,6%. Оси кумулятивных струй пересекают оси элементов.

Для создания вибрационного и/или пульсирующего горения твердотопливные элементы выполнены в виде цилиндров с центральным круглым каналом с постоянными по длине радиусами. При этом в каналах не должно быть каких-либо твердых деталей, которые могли бы привести к стабилизации процесса горения.

Отношение длины к диаметру канала твердотопливных элементов должно быть (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения, например, в виде мелкодисперсных тугоплавких добавок, мела и т.п. не должно быть более 1,5%.

Если же это отношение (40...120):1, то перпендикулярно к центральным каналам предусмотрены ряды поперечных отверстий под прямым углом друг к другу. Отверстия выполняют двоякую роль. Во-первых, они обеспечивают переход колебательной составляющей энергии, выделяющейся при сгорании топливных элементов, из полости центрального канала в окружающее пространство. Во-вторых, предотвращает разрыв твердотопливного элемента, т.к. давление со стороны канала на свод топлива уменьшается за счет своевременного выхода продуктов горения через них.

Содержание наполнителя-стабилизатора горения не должно быть более 0,6%. Только при этих соотношениях длины и диаметра канала твердотопливных элементов, наличии поперечных отвердителей и содержания наполнителя существуют оптимальные условия для передачи колебательной составляющей энергии из канала, а также для создания необходимой прочности твердотопливных элементов.

Следует добавить, что при пересечении твердотопливных элементов с осями кумулятивных струй при содержании наполнителя-стабилизатора горения не более 1,5% отверстия для прохода кумулятивных струй могут располагаться произвольно, пересекая или не пересекая центральный канал.

Если же содержание наполнителя не более 0,6%, т.е. используются более длинные топливные элементы, имеющие поперечные отверстия, то оси одной из пар поперечных отверстий должны располагаться так, чтобы через них проходили кумулятивные струи.

Именно при таких рассмотренных положениях отверстий для прохода кумулятивных струй при разном предельном содержании наполнителя обеспечивается сохранение требуемых режимов горения без разрушения топливных элементов, а также удобство одновременного монтажа зарядов взрывчатого вещества кумулятивного перфоратора и твердотопливных элементов порохового генератора на специальной подвеске.

Устройство работает следующим образом. После сборки устройство отпускается в скважину в интервал обработки пласта. Затем по геофизическому кабелю, на котором устройство подвешено, подается электрический ток на кумулятивные перфораторы и твердотопливные элементы порохового генератора давления. В результате происходит детонация кумулятивных перфораторов и горение твердотопливных элементов, которое по времени являются более продолжительным по сравнению со временем детонации.

Возникающие при детонации кумулятивные струи проходят мимо твердотопливных элементов (фиг. 1, 2), или через отверстия, пересекающие эти элементы (фиг. 3, 4). Струи прожигают стенки скважины и обсадной колонны и через отверстия в них воздействуют на призабойную зону пласта. При этом напротив отверстий в породах появляются каналы и трещины, по которым нефть начинает поступать в скважину.

При горении твердотопливных элементов осуществляется термогазохимическое, барическое и виброволновое воздействия на призабойную зону пласта. Газообразные, высокотемпературные продукты сгорания под высоким давлением проникают в пласт через отверстия, каналы и трещины, созданные кумулятивными струями. Одновременно через стенки скважины происходит нагрев пород и передача энергии вибрации, вызванных горением элементов, в окружающее пространство.

При этом все виды воздействий твердотопливных элементов на пласт дополняют воздействие от кумулятивных струй.

Использование предлагаемого устройства позволяет значительно повысить эффективность вскрытия продуктивного пласта, прострела стенок бурильной колонны, создания сети отверстий в стенках обсадных колонн, создания каналов и образования трещин в прилегающей к скважине зоне.

Формула изобретения

1. Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, содержащее соединенные с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества, образующего при детонации кумулятивные струи, и пороховой генератор давления с твердотопливными элементами, отличающееся тем, что твердотопливные элементы порохового генератора давления расположены между кумулятивными зарядами взрывчатого вещества или около зарядов взрывчатого вещества, в том числе соприкасаясь с ними, или в нижней части устройства вместо груза или части этого груза, при этом твердотопливные элементы не пересекают оси кумулятивных струй и выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента составляет не более 1,5%.

2. Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, содержащее соединенные с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества, образующего при детонации кумулятивные струи, и пороховой генератор давления с твердотопливными элементами, отличающееся тем, что твердотопливные элементы порохового генератора давления расположены между кумулятивными зарядами взрывчатого вещества или около зарядов взрывчатого вещества, в том числе соприкасаясь с ними, или в нижней части устройства вместо груза или части этого груза, при этом твердотопливные элементы не пересекают оси кумулятивных струй и выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом, в которых длина и диаметр центрального канала связаны соотношением (40...120):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента составляет не более 0,6%, причем перпендикулярно к центральному круглому каналу твердотопливных элементов выполнены ряды поперечных отверстий под прямым углом друг к другу.

3. Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, содержащее соединенные с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества, образующего при детонации кумулятивные струи, и пороховой генератор давления с твердотопливными элементами, отличающееся тем, что твердотопливные элементы порохового генератора давления выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом и произвольно выполненными с пересечением или непересечением центрального канала поперечными отверстиями, совпадающими с осями кумулятивных струй, при этом твердотопливные элементы расположены около зарядов взрывчатого вещества и пересекаются с осями кумулятивных струй, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента составляет не более 1,5%.

4. Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, содержащее соединенные с кабелем-тросом для спуска в скважину кумулятивный перфоратор с зарядами взрывчатого вещества, образующего при детонации кумулятивные струи, и пороховой генератор давления с твердотопливными элементами, отличающееся тем, что твердотопливные элементы порохового генератора давления выполнены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива в виде цилиндров с центральным круглым каналом и поперечными сквозными отверстиями, выполненными под прямым углом друг к другу перпендикулярно центральному каналу, причем оси одной из пар которых совпадают с осями кумулятивных струй, при этом твердотопливные элементы расположены около зарядов взрывчатого вещества и пересекаются с осями кумулятивных струй, а содержание наполнителя-стабилизатора горения к массе твердотопливного элемента составляет не более 0,6%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4